EFFECT OF TIN ON CASTING AND MECHANICAL PROPERTIES OF AZ91 MAGNESIUM ALLOY

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye AZ91 MAGNEZYUM ALA IMININ DÖKÜM VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE KALAY ELEMENTİNİN ETKİSİ EFFECT OF TIN ON CASTING AND MECHANICAL PROPERTIES OF AZ91 MAGNESIUM ALLOY Erkan KOÇ a*, Mehmet ÜNAL a, Yunus TÜREN a, Ercan CANDAN a a Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Karabük, Türkiye ekoc@karabuk.edu.tr, munal@karabuk.edu.tr, yturen@karabuk.edu.tr, ecandan@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada, AZ91 magnezyum alaşımının döküm, mikroyapı ve mekanik özelliklerine % oranlarında ilave edilen Sn elementinin etkisi incelenmiştir. Mikroyapı sonuçları, AZ91 alaşımına ilave edilen Sn miktarı arttıkça tanelerin ve Mg 17Al 12 intermetalik fazının inceldiğini ve ilave olarak Mg 2Sn fazının oluştuğu göstermiştir. Sıcak yırtılma %1.0 e kadar gözlenirken %1.0 ve üstü ilavelerde gözlenmemiştir. AZ91 alaşımına %0.5 e kadar Sn ilavesinde çekme-akma dayanımı ve akıcılık yükselmekte, %0.5 in üzerinde artan Sn miktarıyla bu özellikler azalmaktadır. Artan Sn miktarıyla sertlikte kayda değer bir değişme gözlenmezken, %uzamada ise bir miktar düşüş gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler : Akıcılık, Sıcak Yırtılma, Mekanik Özellikler, AZ91 Abstract In this study, effect of Sn addition varied between wt. % on the casting, microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy, have been studied. The microstructural examinations showed that as the Sn is added into the AZ91 alloy, the Mg 17Al 12 phase is refined and Mg 2Sn phase is formed. Hot tearing has not been observed with the additions of 1.0 wt. % and 2.0 wt.. The tensile and yield strengths, and fluidity increased up to 0.5 wt. above which they decreased with increasing Sn content. There was no remarkable change in hardness values, while elongation decreased slightly with increasing Sn content. Key Words: Fluidity, Hot Tearing, Mechanical Properties, AZ Giriş Metalik malzeme olarak magnezyum (Mg); mukavemet/yoğunluk açısından alüminyuma göre %36, demir ve çeliğe göre %75 daha düşük özelliğe sahiptir. Mg temelli alaşımlar, düşük yoğunluk, yüksek dayanım, titreşim sönümleme özelliği ve iyi işlenebilirlik özelliklerinden dolayı; elektronik, uçak ve otomotiv endüstrisinde geniş kullanım alanları bulmaktadır [1]. Özellikle, AZ91 alaşımı (Mg 9Al 0.8Zn 0.2Mn) %90 gibi bir kullanım alanıyla en fazla kullanılan magnezyum alaşımıdır [2]. AZ91 alaşımları çekme, akma ve çarpma dayanımlarındaki kayda değer mekanik özellikler sebebiyle daha fazla ilgi odağı oluşturmaktadır [3]. Fakat diğer Mg alaşımları gibi AZ91 dökümü ve alaşımının geliştirilmesi ile ilgili literatürde az veri bulunmaktadır. Literatürde AZ91 alaşımına Sb, Be, Bi, Ca, Pb ve toprak elementleri ilave edilerek döküm ve mekanik özellikleri ile sürünme özellikleri üzerine çalışmalar yapılmıştır [4-9]. Buna karşın, Sn elementinin AZ91 alaşımının döküm, mikroyapı ve mekanik özelliklerine olan etkisi üzerine çalışmalar çok az rapor edilmiştir. Bunlardan, Li ve arkadaşları [10] yaptıkları çalışmada; AZ91 alaşımların yaşlandırılması ile oluşan mikroyapı ve deformasyon davranışı üzerine Sn ilavesinin etkisini incelemişlerdir. Jihua ve arkadaşları [11] yaptıkları başka bir çalışmada, Sn ilavesinin Mg-6Zn-2Al alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerine olan etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada AZ91 alaşımına %0.2 ile %2.0 aralığında Sn ilave edilerek alaşımın akıcılık, sıcak yırtılma gibi döküm özelliklerinin yanı sıra çekme-akma dayanımı, sertlik ve %uzama gibi mekanik özelliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. 2. Deneysel Çalışmalar Alaşımda kullanılan %99.9 saflıktaki Mg, Al, Zn ve Sn elementleri Karasu Metal A. den temin edilmiştir. Saf Mg ve Al un ergitilmesi C de koruyucu atmosfer (Ar) altında grafit potada yapılmıştır. Zn ve Sn elementleri kayıplardan kaçınmak için dökümden 1 dk. önce ilave edilmişlerdir. Deneylerde kullanılan alaşımların analizleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Deneylerde kullanılan alaşımların kimyasal bileşimleri (%Ağırlık) Alaşım Bileşim Al Zn Mn Sn Mg AZ Kalan AZ91+%0.2Sn Kalan AZ91+%0.3Sn Kalan AZ91+%0.4Sn Kalan AZ91+%0.5Sn Kalan AZ91+%1.0Sn Kalan AZ91+%2.0Sn Kalan Döküm işlemleri, kalıplara SF 6 koruyucu gaz verilerek; optimum döküm şartlarını sağlayan C kalıp sıcaklığında [12] yapılmıştır. Deney kalıplarını istenilen sıcaklığa çıkarmak için, sıcaklığı C ye çıkabilen kalıp ısıtma fırını kullanılmıştır. Akıcılık deneyleri için akıcılık spirali, sıcak yırtılma deneyleri için ise çapları aynı kol uzunlukları farklı olan IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Koç, E., Ünal, M., Türen, Y. ve Candan, E. dökme demirden imal edilmiş kalıplar kullanılmıştır. Kullanılan akıcılık spirali M. Di Sabatino et al. [13] ve sıcak yırtılma kalıbı Cao ve Kou [14] çalışmalarında kullanılan kalıplarla aynı şekil ve boyutlardadır. Ayrıca mekanik deneyler ve mikroyapı incelemeleri için dökme demir malzemeden kalıp hazırlanmıştır. ekil 1 de deneylerde kullanılan kalıp resimleri ve çekme deney numunesi verilmiştir. α+ α α+ α ekil 1. Deneylerde kullanılan kalıplar a) Akıcılık Spirali, b) Sıcak Yırtılma Kalıbı c) Çekme Deney Numunesi Metalografik inceleme için numuneler standart zımparalama ile zımparalanıp 1µm lik Alümina pasta ile parlatılmıştır. Dağlama çözeltisi olarak 5ml asidik asit, 10 ml pikrik asit, 10 ml saf su, ml etil alkol kullanılmış ve mikroyapı incelemeleri için JEOL 3600 marka Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), fazların tespiti için ise EDS analizleri kullanılmıştır. Çekme deney numuneleri ASTM E 8M-99 standardına göre 8 mm çapında ve 40 mm boyunda her alaşım için 3 er adet hazırlanmıştır. Sertlik değerleri, FV-700 model FUTURE-TECHCOPP marka dijital Vickers sertlik ölçme cihazında 50N yük altında ve her numuneden alınan 10 sertlik değerinin ortalaması alınarak belirlenmiştir. 3. Sonuçlar ve Değerlendirme 3.1 Mikroyapı ekil 2(a-d) de AZ91 alaşımı ve ilave Sn miktarına bağlı mikroyapı resimleri verilmiştir. AZ91 mikroyapısı ( ekil 2a) incelendiğinde yapının genelde α-mg ana matrisi içerisinde tane sınırları boyunca uzanan ötektik ve intermetalik fazlarından meydana geldiği görülmektedir. Bu fazların Mg-Al (α+) ötektiği ile Mg17Al12 () intermetaliğidir [15]. Mg17Al12 fazının morfolojik yapısı literatür [16-17] ile benzerlik taşımaktadır ve genellikle Çin alfabesine Chineese script benzer yapı olarak görülmektedir. ekil 2(b-d) deki mikroyapılar incelendiğinde ise AZ91 alaşımına Sn ilavesi ile tane sınırlarındaki Mg17Al12 intermetalik fazının ağ şeklindeki dağılımının bozularak, bu fazın parçalandığı gözlenmektedir. Sn ilavesinin artması ile poligonal şeklinde oluşan Mg2Sn partikülleri [18], Mg matrisi içinde konsantre olmuştur. Zhang et al. [19], yaptıkları çalışmalarda Mg-Sn-Mn-Si alaşımlarında oluşan Mg2Sn fazını incelemişler ve yapıda Mg2Sn fazının çoğunlukla çubuksal, poligonal ve levha şeklinde bulunduğunu rapor etmişlerdir. Mg2Sn ekil 2. (a) AZ91 alaşımının, (b) %0.2 Sn, (c) %0.4 Sn ve (d) %2.0 Sn ilavesi ile oluşan geri saçılan elektron görüntüsü ve EDS analiz sonuçları.

3 Koç, E., Ünal, M., Türen, Y. ve Candan, E. 3.2 Döküm Özellikleri %0.2, 0.3, 0.4 ve 0.5 Sn ilavelerinde yine en uzun kolda sıcak yırtılmalar gözlenirken %1.0 ve %2.0 ilavelerinde sıcak yırtılma gözlenmemektedir Akıcılık AZ91 içerisindeki Sn miktarına bağlı akıcılık deney sonuçları ekil 3 de gösterilmektedir. ekil 3 de akıcılık grafiğinden, AZ91 alaşımının kalıp içerisindeki akıcılığı 175 mm iken, Sn ilavesi ile akıcılığın arttığı, %0.5 Sn ilavesinde ise 225 mm ile en fazla akıcılığın olduğu gözlenmiştir. %1.0 ve %2.0 Sn ilavelerinde akıcılıkta oransal düşüş meydana gelmiştir. 1 cm AZ Akıcılık, mm AZ91+%0.2 Sn 140 AZ91+%0.3 Sn AZ91+%0.4 Sn 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 ekil 3. Sn içeriğine bağlı olarak akıcılıktaki değişim Akıcılığı etkileyen parametreler; entalpi, oksit oluşumu, yüzey gerilimi ve katılaşma süresi olarak sıralanabilir [19]. Bu nedenle, Sn ın yüzey aktif element [20] olarak Mg un yüzey gerilimini düşürmesi ve buna bağlı olarak akıcılığı artırması beklenir. Ayrıca Sn buharlaşma derecesi düşük elementtir [21] ve buharlaşma sebebiyle döküm sırasında yüzeyde oluşan MgO filminin zayıflamasına veya kırılmasına neden olabilir. Dolayısıyla, zayıf veya kırılmış MgO akıcılığın artmasına neden olabilir. Diğer taraftan %1.0 ve %2.0 Sn ilavelerinde akıcılıktaki artış % 0.5 teki etkisi kadar olmamıştır. Bunun nedeni artan Sn miktarı ile sıvı içerisinde oluşan katı Mg2Sn intermetalik fazının viskoziteyi artırması olabilir. Sn ilavesinin artması ve hızlı soğuma ile poligonal şeklinde oluşan Mg2Sn partikülleri, Mg matrisi tane sınırlarında konsantre olduğu rapor edilmiştir [18,19] Sıcak Yırtılma Sıcak yırtılma testlerinde çapları aynı, kol uzunlukları farklı olan kalıp kullanılmıştır. Alaşımların sıcak yırtılma resimleri ekil 4 te verilmiştir. ekil 4 de de görüldüğü gibi kollu kalıpta en uzun kol alt kısımda bulunmaktadır ve her alaşım için sıcak yırtılmalar bu kol üzerinde yolluğa bitişik kısımda görülmektedir. Daha kısa olan diğer kollarda sıcak yırtılma gözle görülmemektedir. Bu durum, uzun kolun diğer kısa kollara oranla sıcak yırtılmaya hassasiyetinin daha etkili olduğunu göstermektedir ki bu birim kısalmanın uzun kolda daha fazla olması ile açıklanabilir. Çapları aynı kol uzunlukları farklı metotda döküm, büyük çaplı düşey yolluğa yapılır ve kollar yatay konumdadır. Yolluğun dolması esnasında üstte kalan kollar ön ısınmaya tabi kalabileceği ve birim kısalma daha az olacağından sıcak yırtılmaya daha az rastlanmış olabilir. Diğer taraftan, AZ91 ve ilave edilen AZ91+%0.5 Sn AZ91+% 1.0 Sn AZ91+% 2.0 Sn ekil 4 Sn içeriğine bağlı olarak oluşan sıcak yırtılmalar Literatürde [14,22] sıcak yırtılmanın katılaşmanın sonuna doğru tane sınırlarında kalan sıvının yırtılması ile oluştuğu ve katılaşma esnasında meydana gelen gerilmelerin tanelerin ayrışmasına neden olduğu bilinmektedir. Aslında bu teoride taneler arasında katılaşma sırasında en son sıvının davranış biçimi önemli bir rol oynamaktadır. Bu bağlamda, denge dışı soğuma şartlarında Mg içerisindeki ötektik mikroyapı yeterince büyükse ve dentritler arası kanallar merkeze doğru yönlenmişse besleme kanalcıklarını açık tutarak beslemeyi arttıracaktır. Bu noktadan, artan Sn miktarı ile ötektik yapının azalması ve izole fazlarının yapıda bulunması ( ekil 2a-d), kanalcıkların olmaması ve buna bağlı sıcak yırtılmanın azalması olarak açıklanabilir Mekanik Deney Sonuçları ekil 5 de AZ91 e Sn ilavesiyle Çekme-Akma dayanımlarındaki değişim verilmektedir. Özellikle %0.5 Sn ilavesinde çekme dayanımı 144MPa dan 196MPa a (%36 artış), akma dayanımı ise 95MPa dan 162MPa a (%70 artış) yükseldiği görülmektedir.

4 Koç, E., Ünal, M., Türen, Y. ve Candan, E. Çekme Dayanımı, MPa Akma Dayanımı, MPa Çekme Dayanımı Akma Dayanımı 60 ekil 5. Sn içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının çekmeakma dayanımındaki değişim AZ91 e Sn ilavesiyle sertlikteki değişim ekil 6 da verilmektedir. AZ91 alaşımına ilave edilen Sn elementi alaşımın sertliğinin değişiminde kayda değer bir etki göstermemiştir. Sertlik, HV ekil 6. Sn içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının sertlikteki değişim ekil 7 de AZ91 e Sn ilavesiyle %uzamadaki değişim verilmektedir. Sn oranı arttıkça %uzamada azalma gözlenmektedir. Özellikle %0.5 Sn ilavesinde uzamada %44 oranında bir azalma oluşmaktadır. % Uzama ekil 7. Sn içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının %uzamadaki değişim Sn ın çekme-akma dayanımını artırması, yapıda fazının modifiye edilmesi ve Mg 2Sn fazının ince çökeltiler halinde bulunmasından dolayı dislokasyonların hareketini engelleme ve buna bağlı olarak çekme-akma dayanımında artış olarak sonuçlanabilir. Çekme-Akma mukavemetlerindeki azalmanın %Sn miktarının artışı ile Mg 2Sn çökeltilerinin kabalaşması sonucu olduğu varsayılmaktadır. 4. Sonuçlar AZ91 e Sn ilavesi ile tane sınırlarında ağ şeklinde Mg 17Al 12 intermetalik fazın dağılımını bozarak parçalandığı gözlenmiştir. AZ91 alaşımına Sn elementinin %0.5 e kadar ilavesi akıcılığı arttırmakta, ancak %0.5 ten fazla Sn ilaveleri AZ91 in akıcılığında kayda değer bir etki yapmamaktadır. AZ91 ve ilave edilen %0.2, 0.3 ve 0.4 Sn ilavelerinde sıcak yırtılmalar gözlenirken %1.0 ve %2.0 ilavelerinde sıcak yırtılma gözlenmemektedir. AZ91 alaşımına %0.5 e kadar Sn elementi ilavesi ile alaşımın çekme-akma dayanımını artırırken, %uzamasını bir miktar düşürmüş, sertlikte ise kayda değer bir değişme gözlenmemiştir. Kaynaklar [1] Gaines L., Cuenca R., Stodolsky F., Wu S Potential Automotive Uses of Wrought Magnesium Alloys, Automotive Technology Development, Detroit, Michigan, 1-7, [2] Blawert C., Hort N., Kainer K. U, Automotive Applications of Magnesium and Its Alloys, Trans. Indian Inst. Met. Vol. 57: , [3] Juchmann P., Technology of Magnesium and Magnesium Alloys, Forming, , [4] Pekguleryuz, M.O., Kaya, A.A., Adv. Eng. Mater. 5: [5] Balasubramani, N., Srinivasan, A., Pillai, U.T.S., Pai, B.C., Mater. Sci. Eng. A 457, , [6] Guangyin, Y., Yangshan, S., Wenjiang, D., Scr. Mater. 43 (2000) [7] Guangyin, Y., Yangshan, S., Wenjiang, D., Mater. Sci. Eng. A 308, 38 44, [8] Zang, Z., Couture, A., Luo, A., Scr. Mater. 39: 45 53, [9] Wenwen, D., Yangshan, S., Xuegang, M., Feng, X., Min, Z., Dengyun, W., Mater. Sci. Eng. 356: 1 7, [10] R.G. Li, Y. Xu, W. Qi, J. An, Y. Lu, Z.Y. Cao, Y.B. Liu, Effect of Sn on the microstructure and compressive deformation behavior of the AZ91D aging alloy, Materials Characterization, 59: , [11] Chen Jihua, Chen Zhenhua, Yan Hongge, Zhang Fuquan, Liao Kun, Effects of Sn addition on microstructure and mechanical properties of Mg Zn Al alloys, Journal of Alloys and Compounds 461, , 2008 [12] Ünal M, Magnezyum Alaşımlarının Döküm Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, [13] Sabatino M.D, Syvertsen F, Arnberg L, Nordmark A An improved method for fluidity measurement by gravity casting of spirals in sand moulds, International Journal of Cast Metals Research, 18: 59-62, 2005.

5 Koç, E., Ünal, M., Türen, Y. ve Candan, E. [14] Cao G, Kou S, Hot cracking of binary Mg Al alloy castings, Materials Science and Engineering, 417: , [15] Koç, E, Alaşım elementlerinin magnezyum döküm özelliklerine etkisinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, [16] Wang, Q., Lu, Y., Zeng, X., Ding, W., Zhu, Y., Li, Q., Jie, L., Study on the fluidity of AZ91+xRE magnesium alloy Materials Science and Engineering, 271: [17] Lee, C.D., Shin, K.S., Effect of microporosity on the tensile properties of AZ91 magnesium alloy, Acta Materialia, 55: (2007). [18] Kang, D.H., Park, S.S., Oh, S., Kim, N.J., Effect of nano-particles on the creep resistance of Mg-Sn based alloys, Materials Science & Engineering, 449 (451): [19] Gravert B, Yu Y, Nisancioglu K Passivity Breakdown of Aluminum Alloys by Surface Enrichment of Group IIIA-VA Trace Elements, 9th International Symposium, Paris, , [20] Korolkov, A.M., Casting Properties of Metals and Alloys, USSR Academy of Sciences Press, 3:25-38 (1960). [21] Zhang M., Zhang, W., Zhu, G., Yu, K., Crystallography of Mg 2Sn precipitates in Mg-Sn-Mn-Si alloy, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 17: , [22] Wang Y, Wang Q, Wu G, Zhu Y, Ding W, Hot-tearing susceptibility of Mg-9Al-xZn alloy, Materials Letters, 57: , 2002.