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

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye AZ91 MAGNEZYUM ALAŞIMININ DÖKÜM VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE SİLİSYUM İLAVESİNİN ETKİSİ EFFECT OF SILICON ON CASTING AND MECHANICAL PROPERTIES OF AZ91 MAGNESIUM ALLOY Mehmet ÜNAL a*, Erkan KOÇ a, Yunus TÜREN a, Ferhat GÜL b, Ercan CANDAN a a Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Karabük, Türkiye b Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Ankara, Türkiye munal@karabuk.edu.tr ekoc@karabuk.edu.tr yturen@karabuk.edu.tr fgul@gazi.edu.tr ecandan@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada, AZ91 serisi ileri teknoloji magnezyum alaşımlarının döküm ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla alaşıma ağırlıkça % oranlarında silisyum (Si) ilavesinin etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar; AZ91 e Si ilavesinin artmasına bağlı olarak sıcak yırtılmada artış ve akıcılıkta düşüş meydana getirdiğini göstermiştir. Si oranının artması çekme ve akma dayanımını oransal olarak artırmıştır. Sertlikte ise % 0.4 Si ilavesine kadar düşüş gözlenirken, %0.4 ve üzeri Si ilavelerinde kayda değer artış Uzamada ise %0.2 ve 0.3 Si ilavesinde bir miktar düşüş gözlenirken diğer ilavelerde kayda değer bir gözlenmemiştir. Mikroyapı sonuçları incelendiğinde, Si miktarına bağlı olarak tanelerin inceldiği ve Mg 17Al 12 intermetalik fazının modifiye edildiği, ayrıca Mg 2Si fazının oluştuğu Anahtar Kelimeler: Akıcılık, Sıcak yırtılma, Mekanik özellik, AZ91 Abstract In this study, effects of Si additions to AZ91 Mg alloy in the ranges between wt. %, aiming to develop its casting properties, was investigated. Results showed that the hot tearing was increased whereas fluidity was decreased with increasing Si content. Tensile and yield strength increased with increasing Si contents. The hardness values decreased up to 0.4 wt. above which they decreased with increasing Si contents. The elongation was also decreased up to 0.3 wt. % above which there were no remarkeble changes with increasing Si contentxs. The microstructure analysis showed that the grains and Mg 17Al 12 phase was refined as a function of its Si contents. Key Words: Fluidity, Hot Tearing, Mechanical Properties, AZ Giriş Otomotiv ve uzay-uçak sanayilerindeki ağırlık tasarrufuna yönelik arayışlarda Mg metali düşük yoğunluğu ile mühendislik uygulamaları açısından en hafif yapısal metal olarak ön plana çıkar. Günümüzde Mg alaşımlarına olan en büyük ilginin otomotiv sektöründen gelmesinin başlıca nedeni, hafif Mg alaşımlarının kullanımı ile araç ağırlığında yapılan azalmanın yakıt ekonomisi sağlaması ve bunun sonucu olarak gaz emisyonlarının da azaltılabilecek olmasıdır [1]. Ağırlık olarak Mg, Alüminyum (Al) dan %36, Demir (Fe) ve çelikten %78 daha hafiftir [2]. Mg-Al-Zn (AZ91) alaşımları, çoğunlukla otomobil parçalarının dökümü için kullanılır. Diğer Mg alaşımlarıyla karşılaştırıldığında; AZ91 Mg alaşımı daha iyi döküm, daha iyi dayanım özellikleri göstermektedir [3]. Mg un özelliklerini geliştirmek için alaşım elementleri katılarak döküm ürünler elde edilmektedir. Mg hegzagonal bir kafes yapısına sahiptir ve sahip olduğu tane çapı da çok fazla sayıda elementle katı çözünebilirliğe müsaade eder. Mg yapısal bir malzeme olarak kullanıldığında elementler ile alaşımlandırıldığı zaman genellikle yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip olur. Mg alaşımlarındaki en çok kullanılan alaşım elementi Al dur [4-6]. Mg esaslı alaşımlarda Al, Mg un katı çökelti dayanımını, ergiyin dökülebilirliğini geliştirir ve döküm alaşımlarının mikro gözeneklerini azaltır. Al katkısı alaşımın sertliğini, dayanımını ve katılaşma zamanını artırmakta, fakat sünekliğini azaltmaktadır. Mg alaşımlarında Mg 17Al 12 intermetaliği düşük sıcaklıklarda ( C) oluşarak alaşımın dayanımını geliştirir. Bununla birlikte, fazla miktarda Al içeren alaşımlar mikro gözeneklere karşı eğilimlidirler [4-7]. Zn, çökelti sertleşmesi sayesinde ortam sıcaklıklarında dayanımı ve aynı zamanda ergiyiğin akıcılığını artırmakla birlikte, tane sınırlarına çökelmesi ile sıcak yırtılma oluşturduğu için %2 ile sınırlıdır [4, 5]. Si un Mg alaşımlarının dökülebilirliğini ve akıcılığını düşürdüğü açıklanmaktadır [5, 8, 9] Si atomları, oda sıcaklığında katı halde Mg 2Si intermetalik oluşturur [10]. 2. Deneysel Çalışmalar Magnezyum ve alaşımlarının ergitilmesi, atmosfer kontrollü ocağın içine yerleştirilen 2 kg Mg ergitme kapasiteli grafit potada yapılmıştır. Ergitme işlemi esnasında ortamın atmosferle temasını kesmek için ergitme süresince ocağa koruyucu gaz verilmiştir. Alaşım döküm sıcaklığına ulaştıktan sonra, ergitme potasının tabanı açılarak kontrollü olarak sıvı metalin kalıba akması sağlanmıştır. Döküm işlemleri, kalıplara SF 6 koruyucu gaz verilerek; optimum döküm şartlarını sağlayan C kalıp sıcaklığında yapılmıştır [11]. Deneylerde kullanılan alaşımların analizleri Çizelge 1 de verilmiştir. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Ünal, M., Koç, E., Türen, Y., Gül, F., Candan, E. Çizelge 1. Deneylerde kullanılan alaşımların kimyasal bileşimleri (%Ağırlık) Alaşım AZ91 AZ91+%0.2Si AZ91+%0.3Si AZ91+%0.4Si AZ91+%0.5Si AZ91+%1.0Si AZ91+%2.0Si Al Zn Bileşim Mn Si Mg Akıcılık deneyleri için akıcılık spirali, sıcak yırtılma deneyleri için ise çapları aynı kol uzunlukları farklı olan dökme demirden imal edilmiş kalıp kullanılmıştır. Kullanılan akıcılık spirali M. Di Sabatino et al. [12] ve sıcak yırtılma kalıbı Cao ve Kou [13] çalışmalarında kullanılan kalıplarla aynı şekil ve boyutlardadır. Ayrıca mekanik deneyler ve mikroyapı incelemeleri için dökme demir malzemeden kalıp hazırlanmıştır [14]. Şekil 1 de deneylerde kullanılan kalıp resimleri ve çekme deney numunesi verilmiştir. 3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma 3.1 Mikroyapı Şekil 2 de AZ91 alaşımı ve ilave Si miktarına bağlı mikroyapı resimleri verilmiştir. AZ91 mikroyapısı (Şekil 2a) incelendiğinde yapının genelde α-mg ana matrisi içerisinde tane sınırları boyunca uzanan ötektik ve intermetalik fazlarından meydana geldiği görülmektedir. Bu fazların Mg-Al ötektiği ile Mg17Al12 intermetaliğidir [11]. Mg17Al12 fazının morfolojik yapısı literatür [15-16] ile benzerlik taşımaktadır ve genellikle Çin alfabesine Chineese script benzer yapı olarak görülmektedir. Mg17Al12 α-mg Mg-Al a) b) c) Mg2Si α+β d) 245 Şekil 2. (a) AZ91 alaşımının, (b) %0.2 Si, (c) %0.5 Si, (d) %1.0 Si ve (e) %2.0 Si ilavesi ile oluşan mikroyapı görüntüsü. R1 8 ± b) 5 a) c) e) 15 Şekil 1. Deneylerde kullanılan kalıplar a) Akıcılık Spirali b) Sıcak Yırtılma Kalıbı c) Çekme Deney Numunesi Metalografik inceleme için numunelerin yüzeyleri sırası ile 400 ve 600 mesh lik zımparalar ile saf su kullanılarak zımparalanıp ve 1µm alumina pasta kullanılarak ile parlatılmıştır. Dağlama çözeltisi olarak 5ml asidik asit, 10 ml pikrik asit, 10 ml saf su, ml etil alkol kullanılmış ve Mikroyapı incelemeleri Nikon Epiphot 200 marka optik mikroskopta gerçekleştirilmiştir. 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. AZ91 alaşımının mikroyapısında α-mg matris fazı yer alırken diğer fazların tane sınırları boyunca dağıldığı görülmektedir. Şekil 2 b-e deki mikroyapılar incelendiğinde, AZ91 e Si ilavesi ile tane sınırlarında oluşan Mg17Al12 fazının modifikasyona uğradığı tespit edilmiştir ve ilave olarak Mg2Si fazı ortaya çıkmıştır ki bu Candan (1998) Aizawa (2006) ve Balasubramani (2007) tarafından rapor edilmiştir [19,10,17]. Artan Si miktarı ile birlikte Mg2Si fazının miktarında da bir artış ve kabalaşma gözlenmekte iken, Mg17Al12 fazının daha fazla inceldiği gözlenmiştir (Şekil 2 d-e ve Şekil 3). Mg17Al12 fazının incelmesi AlMg2Si ötektiğini [10,18] oluşturarak Al un harcanmasının sonucuna dayandırılabilir. α+β Mg2Si X 500 Şekil 3. AZ91 e %2 Si ilavesi ile geri saçılan elektron görüntüsü

3 Ünal, M., Koç, E., Türen, Y., Gül, F., Candan, E. 3.2 Döküm Özellikleri Akıcılık Şekil 4 deki akıcılık grafiği incelendiğinde, %0.2 ve 0.3 Si ilavelerinde AZ91 alaşımının akıcılığında kayda değer bir değişme gözlenmezken, %0.4 Si ilavesi ile birlikte artan Si miktarı ile AZ91 alaşımının akıcılığının azaldığı AZ91 alaşımının akıcılığı 175 mm iken, %2.0 Si ilavesinde ise 140 mm ile akıcılıkta en fazla düşüş 240 sıcak yırtılmayı artıran bir etken olabilir. Si ilavesi ile sıcak yırtılmanın artması bu değerlendirmeyi güçlendirmektedir. AZ91 1 cm Akıcılık, mm AZ91+%0.2 Si AZ91+%0.3 Si AZ91+%0.4 Si Şekil 4. Si içeriğine bağlı olarak akıcılıktaki Akıcılığı etkileyen parametreler; entalpi, oksit oluşumu, yüzey gerilimi ve katılaşma süresi olarak sıralanabilir. Bu nedenle, Si elementi yüzey aktif element olmadığından [19], Mg un ne oksit filmini ne de yüzey gerilimini etkilemesi beklenmez. Diğer taraftan Si un oluşturduğu katı intermetalik Mg 2Si vizkositeyi artırarak akıcılığı düşürebilir Sıcak Yırtılma Sıcak yırtılma testlerinde çapları aynı, kol uzunlukları farklı olan kalıp kullanılmıştır. Alaşımların sıcak yırtılma resimleri (Şekil 5) incelendiğinde, Si ilavesi sıcak yırtılma çatlağı oluşturduğu ve artan Si miktarı ile sıcak yırtılma çatlağının büyüdüğü 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 olacaktır. Literatürden [13, 20] sıcak yırtılmanın katılaşmanın sonuna doğru tane sınırlarında kalan sıvının yırtılması ile oluştuğu bilinmektedir. Katılaşma sırasında meydana gelen gerilme, tanelerin ayrılmasına neden olmaktadır. Denge dışı soğuma şartları altında Mg içerisindeki ötektik mikroyapı yeterince büyükse ve interdentritik kanalları merkeze doğru yönelmiş ise besleme kanalcıklarını açık tutarak beslemeyi artıracaktır. Bu noktadan, artan soğuma hızı ile sıcak yırtılmanın artması beklenir. Bu bağlamda Si ilavesi ile oluşan Mg 2Si fazınının katılaşma sırasında taneler arasındaki besleme kanallarının tıkanmasına yol açarak Şekil 5. Si içeriğine bağlı olarak sıcak yırtılma özelliğindeki Mekanik Deney Sonuçları Şekil 6 da AZ91 e Si ilavesiyle Çekme-Akma dayanımlarındaki verilmektedir. Si ilavesi arttıkça Çekme-Akma dayanımlarında artış gözlenmektedir. Özellikle %2.0 Si ilavesinde çekme dayanımı 144MPa dan 197MPa a (%37 artış), akma dayanımı ise 95MPa dan 152MPa a (%60 artış) yükseldiği görülmektedir. Çekme Dayanımı, MPa Akma Dayanımı, MPa Çekme Dayanımı Akma Dayanımı 1 cm AZ91+%0.5 Si AZ91+%1.0 Si AZ91+%2.0 Si 80 Şekil 6. Si içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının Çekme- Akma dayanımındaki Şekil 7 de AZ91 e Si ilavesiyle sertlikte meydana gelen verilmektedir. %0.3 Si ilavesine kadar sertlikte

4 Ünal, M., Koç, E., Türen, Y., Gül, F., Candan, E. hafif düşüş gözlenirken, %0.4 Si ilavesi ile birlikte sertlikte oransal bir artış kıyasla tane sınırlarındaki fazlar incelmiş veya kesintiye uğramıştır ki bu yaklaşımı desteklemektedir. 4. Sonuçlar Sertlik, HV Si elementinin AZ91 alaşımına ilavesiyle akıcılık azalmaktadır. % 2.0 Si ilavesinde akıcılıkta %25 düşüş AZ91 ve %0.2 den %2.0 a kadar Si ilavesinde sıcak yırtılmalar AZ91 alaşımına Si elementinin ilavesi ile alaşımın çekmeakma dayanımı yükselmiştir. %0.3 Si ilavesinden sonra %uzamada ve sertlikte orantılı artış Kaynaklar Şekil 7. Si içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının sertlikteki Şekil 8 de ise AZ91 e Si ilavesiyle %uzamadaki verilmektedir. %0.5 Si ilavesinden sonra %uzamada artış gözlenmektedir. % uzama Şekil 8. Si içeriğine bağlı olarak AZ91 alaşımının sertlikteki Artan Si miktarı ile birlikte çekme dayanımının artması oluşan Mg 2Si intermetalik fazına bağlanabilir. Artan Si miktarıyla birlikte AZ91 mikroyapısında taneler arasında bulunan Mg 17Al 12 fazı dikkate değer biçimde değişikliğe uğramış ve tane sınırlarındaki fazlar incelerek α-mg taneleri arası mesafe daralmıştır. Bu noktadan çekme dayanımının artması beklenen bir sonuçtur. Diğer taraftan Mg 2Si intermetaliğinin dislokasyonları engelleme etkisini de göz ardı etmemek gerekir. %1 ve %2 Si ilaveleri ile sertlik artışı gerçekleşmektedir. Bunun nedeni Şekil 2 d- e de görüldüğü gibi Mg 2Si intermetalik fazlarının yapıda partikül şeklinde dağılmış olması olarak açıklanabilir. Her ne kadar artan Si miktarı ile yapıda kabalaşmış Mg 2Si fazları artsa da hem sertlik hem de % uzama artmıştır. Bunun nedeni detaylı çalışmayı gerektirmekle birlikte Mg 2Si fazının sertliği artırırken taneler arasında bulunan Mg 17Al 12 fazının bir miktarını da Al-Mg 2Si ötektiği oluşturarak azalttığı kanısı ağır basmaktadır. Şekil 2 b- e deki mikroyapılar dikkat edildiğinde AZ91 mikroyapısına [1] Friedrich, H., Schumann, S., Research for a new age of magnesium in the automotive industry, Journal of Materials Processing Technology, 117: , [2] Gaines, L., Cuenca, R., Stodolsky, F., Wu, S., Potential Automotive Uses of Wrought Magnesium Alloys, Automotive Technology Development, Detroit, Michigan, 1-7, [3] Eliezer, D., Aghion, E., Froes, F.H., Magnesium Science, Technology and Applications, Advanced Performance Materials, , [4] Barber, L.P., Characterization of the Solidification Behavior and Resultant Microstructures of Magnesium-Aluminum Alloys, A Thesis of Master, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, [5] Zhang, Z., Development of Magnesium-Based Alloys for Elevated Temperature Applications, Doctor of These, Faculte Des Sciences Et De Genie Universite, Quebec-Canada, 2-75, [6] Johansson, S., Magnesium Alloys, Summary of chapter 1-7 in Light alloys by I.J.Polmear, Engineering Materials, 5: 17-20, [7] Schwam, D., Wallace, J.F., Zhu, Y., Viswanathan, S., Iskander, S., Enhancements in Magnesium Die Casting Impact Properties, Final Report, Case Western Reserve University DOE-FC07-98ID13611, Ohio, 5-22, [8] Kazdal, H.K., Magnezyum Alaşımları : Otomotiv Endüstrisinde Uygulaması ve Geleceği, Tubitak, Marmara Araştırma Merkezi, Kocaeli, 3-39, [9] Vogel, M., Mikrostruktur und Kriechverhalten von Magnesium-Druckgusslegierungen im System Mg-Zn- Al-Ca, Doktors, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stutgart, 6-20, [10] Aizawa, T., Song, R., Mechanically induced reaction for solid-state synthesis of Mg 2Si and Mg 2Sn, Intermetallics, 14: , [11] Ünal, M., Magnezyum Alasımlarının Döküm Özelliklerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, [12] 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 [13] Cao, G., Kou, S., Hot cracking of binary Mg Al alloy castings, Materials Science and Engineering, 417: , [14] Yokoyama, T., Impact Tensile Stres-strain Characteristics of Wrought Magnesium Alloys, Published in Strain, 39: , [15] 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: , [16] Lee, C.D., Shin, K.S., Effect of microporosity on the tensile properties of AZ91 magnesium alloy, Acta Materialia, 55: , [17] Balasubramani, N., Srinivasan, A., Pillai, U.T.S., Pai, B.C., Effect of Pb and Sb additions on the precipitation kinetics of AZ91 magnesium alloy, Materials Science & Engineering, 457: , [18] Feng, X., Xuegang, M., Yangshan, S., Microstructures and mechanical properties of AZ91 alloy with combined additions of Ca and Si, Journal Materials and Science, 41: , [19] Candan, E., Wettability and Pressurized Infiltration of Ceramic Powder Compacts by Metallic Melts, Ph.D. Thesis, Department of Engineering Materials University of Sheffield, Sheffield, 38-39, [20] Wang, Y., Wang, Q., Wu, G., Zhu, Y., Ding, W., Hottearing susceptibility of Mg-9Al-xZn alloy, Materials Letters, 57: , Ünal, M., Koç, E., Türen, Y., Gül, F., Candan, E.