VORTEX DÖKÜM YÖNTEMİ İLE SİC TAKVİYELİ Al-7075 ALAŞIM MATRİSLİ KOMPOZİT KAM ÜRETİMİ

Transkript

1 VORTEX DÖKÜM YÖNTEMİ İLE SİC TAKVİYELİ Al-7075 ALAŞIM MATRİSLİ KOMPOZİT KAM ÜRETİMİ Tuğçe Yasemin ONURLUBAŞGİL* 1,Mehmet ŞİMŞİR 1, Zeynep ARSLAN 1, Bahadır KARACA 2,Murat AYDIN 2 1 Cumhuriyet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü kampüs SİVAS 2 ESTAŞ Eksantrik San. Ve Tic. A.Ş Sivas/TURKEY * tugce.onurlubasgil038@gmail.com ÖZET Günümüz motor üreticileri, motor hacmini küçülterek performans artırma stratejileri geliştirmektedirler. Bu uygulama dünyada Engine Downsizing olarak bilinmektedir. Ağırlık azaltma çalışmalarının başında yoğunluğu düşük, hafif parça üretimi ilk sırayı almaktadır. Al 7075 Alaşımı yüksek mukavemet, yüksek elastik modül ve ayrıca diğer hafif metallerle kıyaslandığında ucuz olması sebebiyle bu çalışmada tercih edilmiştir. Kompozit kam üretimi vorteks metodu ile üretildi. Takviye elemanı olarak 64 μm boyutunda β-sic parçacığı, matris malzemesi olarak ise Al alaşımı kullanıldı. Al matris içine 32 μm boyutunda, farklı hacim oranlarında (% ) β-sic kullanılarak kompozit kam üretildi. Al 7075 alaşımının ıslatma özelliğini artırmak için ağırlıkça %3 Mg metali eklendi. 450 o C ye ısıtılmış kokil kalıba dökümü yapıldı ve kam üretimi gerçekleştirildi. Üretilen kompozit kamlara T6+RRA (retrogerasyon ve yaşlandırma) ısıl işlemi uygulanmıştır. Isıl işlem görmüş kompozit kamlara optik mikroskop, SEM-EDS analizleri ve mekanik testler (aşınma ve sertlik) yapıldı. Referans numunesi olan takviyesiz Al7075 alaşımı ile takviyeli numuneler kıyaslandığında; takviye miktarı arttıkça sertliğin ve aşınma direncin arttığı tesit edildi. Artan mekanik özelliklerle, azaltılmış hacim-ağırlık-maliyet kombinasyonunu sağlamıştır. Anahtar Kelimeler: Al-7075 alaşım, SİC, Vortex, Kompozit, RRA. SiC REINFORCED Al-ALLOY 7075 MATRİX COMPOSITES CAM PRODUCTION WITH VORTEX METHOD ABSTRACT Today's engine manufacturers, they develop strategies to improve performance by reducing the engine size. This application is known as 'Engine Downsizing' in the world. The low density, lightweight parts production are leading weight reduction activities. Al 7075 alloy was prefered in this study since it has high strength, high elastic modulus and cheap among other light weight metals. Composite cam was produced by vortex method. β-sic with 64 μm and Al 7075 alloy was used as reinforcement and matrix materials, respectively. Percent volume fraction of reinforcement (%Vr) was changed from 5% to 20% fort the production of the composite cam. In order to increase the wetting properties of Al 7075 alloy, Mg (3% wt.) metal was added into liquid Al-alloy. Melted Al-7075 alloy was poured into metal mould which is heat to temperature of 450 o C. By this manner composite cam was casted. After

2 that, T6 heat treatment plus RRA (retrogeration and reaging) heat treatments were applied to the produced composite cam specimens. Heat treated composite cam specimens were characterized by using optical, scanning electron microscopy- electron dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and X-ray analysis. The mechanical tests (wear and hardness) were conducted. The reference specimen (composite cam without reinforcement) was compared with the composite cam specimens with reinforcement. The result showed that the hardness and wear resistance of the composite cam increase with increasing %Vr. Improving mechanical properties provided decreased volume-weight-cost combination. Key Words: Al alloys, SİC, Composite, Vortex, and RRA. 1. GİRİŞ Günümüzde rekabet ortamında, daha kaliteli ürünlerin daha düşük maliyetlerle piyasaya arz edilmesi gerekmektedir. Bu gereklilik sanayideki yeni nesil malzemelerin geliştirilerek kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu durum metal matrisli kompozit (MMK) malzemeleri ön plana çıkarmaktadır. Bu kapsamda SiC parçacık takviyeli Al-alaşımlı kompozit malzemeden fren pedalı, sekmanlar, pistonlar, kasnaklar, selektör çatalları gibi otomotiv sanayinde kullanılan parçalar üretilmektedir. Bu parçaların bir araçtaki ortalama ağırlığı 100kg civarındadır (Toplam ağırlığın %10'u). Her 100kg ağırlık azalmasında 100km'de 0,6 litre daha az yakıt tüketilmektedir. Daha az yakıt tüketimi aynı zamanda daha düşük egzoz sürüm değeri ve çalışma maliyeti demektir. Alüminyum emniyet, konfor ve güvenilirlikten ödün vermeden ağırlık azalımı için anahtar bir malzemedir. Alüminyum ve alaşımları diğer malzemelere göre düşük yoğunluk, iyi korozyon direnci, işlenebilme, elektrik iletimi gibi birçok mükemmel özelliklere sahip olduğundan uçak ve otomotiv endüstrisinde yaygın kullanım alanı bulmaktadır [1]. Alüminyum alaşımlarının özelliklerinin iyileştirilmesi için yapılan ısıl işlemler malzemenin mikro yapısını ve mekanik özelliklerini etkilemektedir. [2, 3, 4 ] 7xxx serisi alüminyum alaşımları % 4-8 Zn ve % 1-3 Mg içermekte ve diğer alüminyum alaşımlarına oranla daha yüksek sertlik ve dayanıma sahip olduğundan uçak, uzay ve otomotiv sektörü için ideal malzemelerdir. Bu anlamda Al-alaşımları yoğunluğu (2.71 gr/cm 3 ), mekanik özellikleri ve diğer hafif metallere kıyaslandığında ucuzluğu nedeniyle bu çalışma da tercih edilmiştir. Literatür incelendiğinde, parçacık takviyeli kompozitler fiber takviyeli olanlara göre daha iyi mekanik, izotropik ve fiziksel özelliklere sahiptirler [5]. Partikül takviyeli alüminyum metal matrisli kompozitler basınçlı döküm metoduyla başarılı bir şekilde üretimi yapılmış. MMK malzemelerin üretimleri esnasında artan tanecik boyutu ve azalan takviye fazının yüzde ağırlık oranı ile üretimlerinin kolaylaştığı gözlenmiştir. Buna ilaveten azalan tanecik boyutu ve artan takviye fazı yüzde ağırlık oranı ile MMK ların sertlikleri iyileşmiştir. [6] Vorteks döküm yöntemiyle Al-7075 matrisli, SiC takviyeli kompozit üretim neticesinde karıştırıcı kabiliyeti, karıştırıcı devir sayısı, kalıbın ön ısıtma sıcaklığı, parçacık katma hızı ve döküm hızının başarılı kompozit üretiminde önemli parametreler arasında yer aldığı belirlenmiştir.[5] SiC takviyeli kompozitlerin aşınma direncinin arttığı, SiC partikül oranı arttıkça hacimsel aşınmanın daha da azaldığı görülmüştür. Uygulanan normal yük arttıkça bütün numunelerin hacimsel aşınma miktarlarının arttığı sonucuna varılmıştır.[7] Güçlendirilmiş parçacık hacmi, döküm yoluyla üretilen kompozitlerde pratikte karşılaşılan zorluklardan biri parçacık eklendiğinde tozların karıştırılma zorluğu ve eriyik viskozitesinin artmasıdır. Bazen de eriyiğin seramik parçacıkları ıslatmadığı görülmektedir. Islanabilirliğin gerçekleşebilmesi için katı yüzey enerjisinin artırılması, ergimiş metal yüzey geriliminin azaltılması ve katı-sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi tedbirler alınmaktadır. Alüminyum alaşımlarında ıslatmayı iyileştirmek için yaygın olarak kullanılan alaşım elementi magnezyumdur. Bu alaşımın bünyesinde bulunan çinko ve magnezyumun katı çökelti oluşturması nedeniyle yaşlandırma işlemi sonucu sertleşmesi sağlamakta ve malzemenin mekanik özelliklerinin geliştirilmesini sağlamaktadır Alüminyum alaşımlarının sertlik ve dayanımları yaşlandırma işlemi ile artırılabilmektedir. T6 ısıl işlemi ile 7075 alüminyum alaşımlarında en yüksek sertlik değerleri elde

3 edilmektedir. Gerçekleştirilen bu işlemler ile alüminyum alaşımlarının mikro yapısı farklılaşmakta ve alaşımın mekanik özelliklerini etkilemektedir. Bu nedenle şimdiki çalışmada 7075 alüminyum alaşımına daha önceki çalışmalarda en yüksek sertlik değerlerinin elde edildiği T6 ısıl işleminin devamında RRA (retregoration and reaging) ısıl işlemi uygulanmıştır. Dasgupta ve Meenai, 7075 Al alaşımına yakın içerikte hazırlanan ana yapı ve %15 oranında SiC ile takviye edilen numunelere uygulanan farklı ısıl işlemler sonucunda sertlik, mekanik ve aşınma özelliklerini belirlemişlerdir. Yaşlandırma işlemi sonucunda SiC ile takviye edilen numunelerin alaşım numunelere oranla daha yüksek mukavemet ve aşınma özelliklerine sahip oldukları belirlenmiştir. Diğer taraftan uygulanan RRA işlemi ile kompozit numunelerde sertlik ve çekme dayanım değerleri azalırken, aşınma dayanım özellikleri yaşlandırma işleminde olduğu gibi artış göstermiştir [8]. Bu çalışma esasen otomotiv sektöründe ağırlık azaltma çalışması olup, pik döküm malzemesi ile üretilen kam millerinin ağırlığı ortalama 2,5-3 kg gelirken, kompozit (Al-SiC) malzemeden yapılması durumunda bu ağırlık 1 kg' a kadar düşecektir. Böylece kamların kompozit malzemeden yapılması, mevcut yönteme kıyasla yaklaşık % 50 oranında ağırlığında azalma sağlayacaktır. Dolaysıyla, SiC takviyeli Al 7075 alaşımı matrisli kompozit malzemesinden kam üretimi karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmaktadır. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Kompozit Kam Dökümü Bu çalışmada, matris malzemesi olarak Al 7075 alaşımı ve takviye elemanı olarak 64 μm boyutlarında β-sic parçacıkları kullanılmıştır. Tablo 1 ve Tablo 2 de bu çalışmada kullanılan Al-7075 matris malzemesi ve SiC takviye parçacıkların kimyasal analiz sonuçları verilmiştir. Kompozit kam üretiminde hacimce %5, %10, %15 ve %20 SiC takviye elemanı kullanılmıştır. Kompozit kamlar vorteks metodu kullanılarak üretilmiştir [9, 10]. Tablo Alüminyum Alaşımının Kimyasal Bileşimi (% Ağ.) Si Fe Cu Mg Zr+Ti Cr Zn Al 0,5 0,5 1,2-2,0 2,1-2,9 0,25 0,18-0,28 5,1-6,1 Kalan Tablo 2. Silisyum Karbürün Kimsayal Analizi SiC %98 Serbest Karbon %0,15 Fe2O3 %0,20 Metal içeriği serbest Fe, Cu ve Eser Oranda diğer ağır metaller Vorteks yöntemiyle kompozit kam üretimi için kullanılan kalıp üç adet rezistanstan oluşan alt kalıp ısıtmalı olarak tasarlandı. Böylece dökümden önce kalıbın ısıtılıp, kompozit sıvı metalin çok hızlı soğuması engellenip, belirli bir süre akıcılığının devam etmesini sağlandı (Şekil 1.). Döküm yapmadan önce kalıpların iç kısımlarına kalıp ayırıcı sürüldü bu sayede kompozit kamın kolay çıkarılması sağlandı.

4 Şekil 1. Vorteks Döküm Yönteminde Kullanılan Alttan Isıtmalı Kalıp Vorteks, grafit pota içerisine yerleştirilen 4 kanatlı çelik uç kullanılarak oluşturulmuştur. Devir sayısı kontrollü mikser yardımı ile 1000 dev/dak hızla girdap oluşturulmuş ve argon gazının debisi 18 lt/dak olacak şekilde sabit tutuldu. Böylece sıcak metalin hava ile teması kesilmiş ve oksitlenmesi engellendi. Kompozit kam üretiminde 2 kw gücünde, 1000 C sıcaklığa kadar çıkabilen su soğutmalı indüksiyon ergitme ocağı kullanılmıştır (Şekil 2) Şekil 2. Kompozit Üretim Düzeneği; 1. Ergitme Fırın Sıcaklık Göstergesi, 2. Fırın Güç Ayar Seviyesi, 3. Grafit Pota, 4. Argon Gaz Üfleci, 5. Karıştırıcı, 6.Karıştırıcı Devir Ayar Düğmesi, 7. Heidolph Marka Karıştırıcı,8.Takviye Ön Isıtma Fırını, 9.Termokupl Grafit potaya malzemelerin konulmasından itibaren fırın ve sıcak metalin sıcaklığı termokupl yardımıyla kontrolü sağlanmıştır. Devir sayısı ayarlanabilen karıştırıcı ile optimum karıştırma süresinde girdap oluşturarak sıvı faz bölgesine çıkarıldı. Sonra sıvı metal sıcaklığı yarı-katı faz bölgesine (yaklaşık olarak 660 o C) düşürüldü. Al-7075 alaşımın toz SiC ü ıslatma özelliğini arttırmak amacıyla yüzey gerilimini azaltmak için ağırlıkça %3 oranında Mg ilave edildi. Ayrıca SiC seramik fazın katı yüzey enerjisini artırarak ıslatılabilirliğinin iyileştirmek amacıyla SiC parçacıkları ikinci bir ısıl işlem fırınında 1000 o C de 6 saat bekletildi. Bunun sonucunda aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir; SiC+O 2 SiO 2 +C SiC+3O 2 SiO 2 +2CO (1) (2)

5 SiC+2O 2 SiO 2 +CO 2 SiC parçacıklarının yüzeyinde μm seviyesinde SiO 2 kaplanmış ve bu sayede Al-alaşımı ile ısıtılmış SiC parçacıkları arasında, arayüzeyde istenmeyen intermetalik fazlar Al 4 C 3 ve Al 4 SiC 4 oluşması engellenmiştir. 4Al +3SiC Al 4 C 3 +3Si 4Al +4SiC Al 4 SiC 4 +3Si Yarı-katı bölgesinde vorteks içerisine, diğer bir tarafta ısıl işlem fırınında 350 o C sıcaklığında bekletilmekte olan SiC seramik takviye parçacıkları kontrollü olarak eklendi. Bu esnada alaşımın viskositesi düştüğünden dolayı hem sıcaklığa dikkat edildi hem de karıştırma işlemine devam edildi. SiC takviyesi yapıldıktan sonra karıştırma devam ederek sıvı faz bölgesinde o C sıcaklık aralığında çıkarıldı ve 8 dakika süresince karıştırıldı. Döküm yapılana kadar sürekli olarak %99,99 saflıkta Ar gazı pota içine üflendi. Böylelikle SiC parçacıklarının sıvı metal içinde homojen dağılımı sağlandı. Önceden 450 o C de ısıtılan metal kalıba laboratuar ortamında hazırlanan düzenek sayesinde kompozit kam dökümü gerçekleştirilmiştir. Kalıp 5 dak sonra açılarak numuneler havada soğumaya bırakılmıştır. Böylece kompozit kam üretimi gerçekleştirildi. Şekil 3 döküm sonrası kalıptan çıkarılan kompozit kam görülmektedir. Bu yol takip edilerek her dökümden aynı özellikte iki numune elde edildi. Kıyaslama yapmak için takviye malzeme ilavesi yapılmadan aynı şartlar altında referans (SiC takviyesiz) numuneler ve % ve 20 hacim oranlarında kompozit kam üretimi gerçekleştirildi. (3) (4) (5) Şekil 3. Döküm Sonrası Kalıptan Çıkarılan Al-7075 Matrisli Ve SİC Takviyeli Kompozit Kam 2.2. Kompozit Kamın Isıl İşlemi 7xxx serisi Al-alaşımları çökeltiyle sertleştirilebilen bir alaşım olduğundan kompozit kamlara ısıl işlem uygulandı. Birinci safhası olan solüsyona (çözeltiye) alma işlemi yapıldı. Solüsyona alma işleminde dikkat edilmesi gereken parametreler; solüsyona alma sıcaklığı ve süresi, parçanın kalınlığı ve endüstriyel uygulamalarda fırın kapasitesi ve fırın yüküdür. Bütün bu parametreler dikkate alınmalı çünkü malzemenin mikroyapısı bu parametrelerin doğru seçimine bağlıdır. Dolayısıyla Alüminyum alaşımlarının ısıl işlem tablosundan, Al-7075 alaşımın malzeme durumu ve numune kalınlığına göre çözeltiye alma sıcaklığı ve bekletme süreleri belirlendi. Fırın 470 C ye ısıtıldı. Fırın hazır hale gelince, numuneler arasında 1 inç (25.4 mm) artı numune kalınlığı kadar aralıklar bırakılarak fırın içine düzgün bir şekilde yerleştirildi. Fırın yükleme sırasında sıcaklığı düşeceğinden bekleme süresi fırın 470 C a gelince başlatıldı ve 90 dakika bekletildi. İkinci safha; solüsyona alma işlemini takiben parçaların mümkün olan en kısa sürede, aşırı doymuş katı eriyik fazında istenmeyen çökelmeler meydana gelmeden fırından alınıp su verme banyosuna alma işlemidir. Al-7075 su verme gecikmesine aşırı duyarlı bir alaşımdır. Su verme alaşım elementlerinin kontrolsüz olarak çökelmesini önler veya geciktirir; böylece alaşım elementlerinin katı eriyikte kalması sağlanır. 90 dakikanın sonunda su banyosunda parçayı gecikmeyen zamanda oda sıcaklığında 0,5 inç için 30 sn olacak şekilde bekletildi. Oda koşulların 1 saat doğal yaşlandırma yapılarak malzeme T 4 durumuna getirilir. Üçüncü safha T6

6 ısıl işlemidir; fırın sıcaklığı 121 C a gelince fırına yükleyerek 24 saat bekletmek için ayarlanır. Suni yaşlandırma ısıl işlemi ile homojenizasyon ve onu takip eden su verme işlemi sonucu aşırı doymuş katı eriyik içerisinde dağılmış olan partiküllerin çökelmeleri sağlanır. Dördüncü safha RRA işlemi; 220 o C de 60 dakika bekletip devamında T6 işlemi tekrarlandı ve su verilerek soğutuldu. Şekil 4 kompozit kam numunelerine uygulanan ısıl işlem rejimini göstermektedir. 1: 470 C da 90 dak 1-2: Oda koşulları (20-25 C) 30 sn su verme 2: Doğal yaşlandırma 1 saat T6: 121 C da 24 saat yaşlandırma 3: RRA (Yeniden çözeltiye alıp yaşlandırma) 220 C da 60 dak+t6 ısıl işlemi Şekil 4. Kompozit Kam Malzemelerin Isıl İşlem Grafiği 2.3. Kompozit Kamın Mekanik Testleri Ve Mikroyapı Analizleri Sertlik değerlerinin ölçülmesinde Vickers Sertlik ölçüm metodu kullanılmıştır. Sertlik ölçümleri SHIMADZU marka cihazda 1kg yük uygulanarak yapılmıştır. Aynı numuneden 3 kez sertlik ölçümü yapıldı ve ortalama sertlik değerleri tespit edildi. Aşınma deneyleri Cumhuriyet Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü nde bulunan PLINT Marka Pin-On-Disk tipi standart deney cihazı kullanılmıştır. Aşınma deney numuneleri alüminyum matrisli kompozit malzemeden 12,7 mm çapında ve 12,7 mm uzunluğunda silindir numuneler hazırlanmıştır. Test numuneleri Şekil 5 de verilmektedir. Şekil 5. Aşınma Deneyi İçin Hazırlanan Test Numuneleri

7 Aşınma deneylerine başlamadan önce her numune ve aşındırıcı disk yüzeyi aseton ile temizlenmiştir. Her numune farklı bir iz oluşturacak şekilde yerleştirilerek her test için aynı yüzey kalitesi sağlanmıştır. Aşınma testlerinden sonra disk yeniden taşlanarak yeni test için hazır hale getirilmiştir. Deney öncesi ve sonrasında 0,1 mg hassasiyetinde terazi kullanılarak ağırlık ölçümleri yapıldı. Aşınma testleri 57N yük altında, 500 metre kayma mesafesi seçilmiştir. Kayma hızı olarak da 300 dev/dak seçilmiştir Üretilen kompozit kamlar metalografik inceleme yapmak için numuneler hazırlandı. Bunun için kesme, bakalite alma, zımparalama, parlatma işlemleri uygulandı. Hazırlanan numunelerin optik mikroskopta mikro yapı incelemesi yapıldı. Hazırlanan numunelerin, SEM-EDS görüntülemesi analizi yapıldı. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1. Mekanik Testler SiC hacim oranına karşılık Vickers sertlik grafiği Şekil 6 da verilmektedir. Şekilden de görüleceği gibi parçacık hacim oranı arttıkça, malzemenin sertliği artmıştır. En düşük sertlik referans numunesinde (takviyesiz) elde edilirken, en yüksek sertlik değeri %20 SiC takviye oranına sahip numunede ölçüldü. Parçacık hacim oranı en yüksek olan (%Vr=20) numunenin sertliği referans numunesinin sertlik değerinden %77 daha fazla olduğu tespit edildi. Şekil 6. Aynı derinlikte Al-7075 matrisli, farklı hacim oranlarında SiC takviyeli kompozit kam malzemelerin vickers sertlikleri Kompozitlerin aşınma değerleri Tablo 3 de verilmektedir. Takviyesiz numunede aşınma miktarı en fazla olup, en az ise %20 SiC takviyeli kompozit kam numunesinde ölçülmüştür. Tablo 3.Kompozit Kam Malzemelerin Aşınma Test Sonuçları Malzeme Al Referans Al-7075+%5 SiC Al-7075+%10 SiC Al-7075+%15 SiC Al-7075+%20 SiC Aşınma Kaybı (mg) 1,5 mg 1,3 mg 1,2 mg 1,1 mg 1,0 mg

8 Aşınma testilerinin daha doğru yorumlamak için aşınma oranı (hızı) hesaplanmıştır. W = M k/ρ (1) s W: Aşınma oranı (mm 3 /m), M k : Kütle kaybı (g), ρ: Yoğunluk (g/mm 3 ) ve s: Kayma mesafesini (m) Şekil 7 de takviye hacim oranına karşılık aşınma oranı grafiği verilmektedir. Grafikten de görüleceği üzere takviye hacim oranı arttıkça aşınma hızı azalmaktadır. En yüksek hacim oranına sahip kompozit kam numunesinin aşınma oranı, referans kompozit kam numunesinin aşınma oranı %44 daha az olduğu hesaplanmıştır. Şekil alüminyum alaşımına farklı hacim oranlarındaki SiC takviyesi sonucu 57N yük altındaki aşınma deneyindeki aşınma oranı değişimi Bunun nedeni de, yapıdaki sert SiC parçacıklarının bulunmasından ve malzeme yüzeyine gelen yükün takviye elemanlarınca taşınması sonucu aşınma miktarını azalttığı görülmüştür. Aşınma yüzeyleri incelendiği zaman referans numunesinde adhesif aşınmanın daha baskın olduğu görülmektedir (Şekil 8a). Sürtünmeden dolayı sıvanmanın olduğu ve bu bölgelerin koptuğu ve yığılma şeklinde yüzeye yapıştığı görülmektedir. Parçacık takviye oranı arttıkça aşınma mekanizması adhesif aşınmadan abrasif aşınmaya doğru geçtiği görülmektedir. Şekil 8b de %20 SiC takviyeli numunenin aşınma yüzeyi görülmektedir. Aşınma yüzeyi kanal şeklindeki derin aşınma çiziklerin olduğu rahatlıkla görülmektedir. Bu durum ise malzemeden kopan SiC parçacıklarının iki arayüzey arasında kalıp kompozit kamdan malzeme koparmasıyla oluşan aşınma kanallarının oluşumuna sebep olmaktadır. a) b)

9 Şekil 8. Aşınma yüzeyleri a) Al-7075 Referans rumunesi b) Al-7075+%20SiC numunesi 3.2 Mikro Yapı Analizi Malzemenin mikro yapısı uygulanan ısıl işleme son derece bağlıdır Al alaşımının 121 C de yaşlandırılması esnasında farklı yaşlandırma sürelerinde oluşan GP bölgelerinin ve yarı kararlı fazların yapılarını ve oluşma mekanizmalarını incelemiştir. Yaşlandırma işleminin başlangıç safhasında GP bölgelerinin baskın faz olduğu belirlenirken ilerleyen yaşlandırma sürelerinde η' yarı kararlı fazın baskın olduğu belirlenmiştir [11]. Aynı durum 7075 Al-alaşımı içinde söylenebilir Al-alaşımlı malzemeye T6 ısıl işlemi uygulandığı zaman malzemenin sertlik ve mukavemetinde artış olurken korozyon dayanımında kayıplar olmaktadır. Aynı zamanda sertlik ve mukavemette %15-20 azalma meydana gelmektedir. Mukavemet ve korozyon dayancında optimum değerleri yakalamak için geliştirilen RRA (Retrogression and reaging) işlemi geliştirilmiştir. RRA işlemi, T6 temper durumundaki alaşımlara, retrogresyon ve yeniden yaşlandırma olmak üzere iki aşamalı ısıl işlem süreci olarak tanımlanmaktadır. Retrogresyon işlemi sırasında alaşım T6 yaşlandırma sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta tutulduğundan dolayı uyumlu ara yüzeye sahip GP zonları ve/veya yarı uyumlu ara yüzeye sahip geçiş çökeltisi (Ƞ ) kısmen yada tamamen çözünmektedir. Bu sırada dengeli çökeltilerde ise kabalaşma olmaktadır. Retrogresyon sonrası yapılan yeniden yaşlandırma işlemiyle, retrogresyon işlemi ile çözünen tane içlerindeki uyumlu ve yarı uyumlu arayüzeye sahip çökeltiler tekrar oluşmaktadır. Referans numunesi (takviyesiz) taramalı elektron mikroskobu altında yapılan incelemeler sonucunda olası muhtemel fazlar belirlenmeye çalışıldı ve bu bölgelerde elementel analizler yapıldı. Şekil 9a da referans numunesinin genel fotoğrafı görülmektedir. Ayrıca genel fotoğraf üzerinde belirtilen bölge incelendi (Şekil 9b). Şekil tanımlanan 1, 2, 3 ve 4 nolu bölgelerin EDS sonuçlarını göstermektedir a) b) Şekil 9. Referans Numunesine Ait Genel Mikro Yapısı a) Referans Numunesine Genel Mikro Yapısı, b) İşaretlenmiş Bölgenin Mikro yapısı

10 a) Şekil 10. a) 1 Nolu bölgenin fotoğrafı, b ) 1 Nolu Bölgenin Elementel Analizi a b Şekil 11. a) 2 Nolu bölgenin fotoğrafı, b) 2 Nolu bölgenin elementel analizi a b Şekil 12. a) 3 Nolu bölgenin fotoğrafı, b) 3 Nolu bölgenin elementel analizi

11 a b Şekil 13. a) 4 Nolu bölgenin fotoğrafı, b) 4 Nolu bölgenin elementel analizi 1 nolu bölge α-al fazı içinde çözünmüş Zn elementlerinden oluştuğu görülmektedir. Diğer EDS analizlerine bakarak bu fazların tam olarak belirlenmesi çok zor olup sadece yorumlanabilir. Ayrıca Mg eklenmesiyle, parçacık ile Al-alaşımı arayüzeyinde aşağıdaki olası reaksiyonlar gerçekleşmesi beklenmektedir; 2SiO 2 +2Al+Mg MgAl 2 O 4 +2Si (6) 3Mg+4Al 2 O 3 2Al+3MgAl 2 O 4 (7) Literatür incelendiğinde Al-7075 alaşımında olası muhtemel ara metalik fazlar (intermetalik) Al 4 Cu 2 Fe, Al 2 CuMg, MgSi 2, olduğu çökelti olarak MgZn 2 çökeltisine ait GP zonların, ara çökeltisi (Ƞ ) ve Ƞ (MgZn 2 ) dengeli çökeltisi oluştuğu bilinmektedir. Optik mikroskop ve SEM mikroyapı görüntülerinde alaşımın yüzeyinde mikrometre boyutunda bazı fazların bulunduğu bunların daha önceki çalışmalardan Al 7 Cu 2 Fe, Al 2 CuMg ve Mg 2 Si fazları olabileceği belirtilmektedir [2, 13 ]. Şekil 14 de ise %20 SiC içeren numunenin genel fotoğrafı görülmekte ve bu genel fotoğrafta belirli bir bölgesi detaylandırılarak incelenmiştir. Genel anlamda bu numunenin matris bölgesinin mikroyapısı, referans numunesinin mikroyapısı ile aynı olup SiC ün arayüzeyinde beklenen oluşması muhtemel fazlar Al 4 C 3, MgAl 2 O 4 ve MgO dır. Ancak SiC parçacıklarının yüzeyinde çok ince bir film tabakası şeklinde SiO 2 fazının oluşması ve elementel analizde oksijenin tespit edilmesi son derece zordur. Hem numune dağlanmadan önce hem de dağlandıktan sonra yapılan incelemede oksijen elementine rastlanmamıştır. Oksijeni test edebilmek için Elektron Mikro Probe Analysis (EMPA) gibi daha hassas analiz sistemleri ile tespit edilmesi gerekmektedir. Genel fotoğrafa bakıldığında SiC parçacıklarının homojen dağıldığı rahatlıkla görülebilmektedir.

12 SiC Şekil 14. a) Genel fotoğraf, b) Şekil 14 a da verilen bölgenin büyütülmüş fotoğrafı. Aşırı doymuş katı çözelti Uyumlu ara yüzeye sahip Guinier Preston (GP) zones Yarı uyumlu ara yüzeye sahip ara çökelti Ƞ (Mg 2 Zn 11 ) fazı uyumsuz ara yüzeye sahip kararlı Ƞ (MgZn 2 ) veya AlMg4Zn 11 fazı. Retrogresyon işleminle GP zonlar ve/veya Mg2Zn11 fazları matris içinde tekrar çözünmekte ve yeniden yaşlandırma işlemiyle bu fazlar tekrar yoğun olarak oluşmakta ancak bu esnada karalı çökeltilerde (MgZn 2 ve/veya AlMg4Zn 11 ) kabalaşmaya devam eder. Bunun sonucunda mukavemette ve sertlikte bir miktar azalma olmaktadır. 4. SONUÇLAR Vorteks Yöntemi ile SiC katkılı Al-7075 alaşımlı kompozit kam üretimi bu projede çalışmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Farklı SiC hacim oranlarında sabit tane boyutunda (64 μm) seramik parçacıklar kullanılmıştır. Genel olarak çalışmadan aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: 1. SiC parçacıkları homojen olarak dağılımı sağlanmıştır. 2. SiC hacim oranı arttıkça Vickers sertlik değerlerinde artış olduğu tespit edilmiştir. 3. Aşınma SiC hacim oranı arttıkça aşınma kaybı azalmış, aşınma mekanizması olarak adhesif ve abrasif aşınma türü olduğu gözlenmiştir. 4. Mikro yapıda ise geçiş çökeltileri ve dengeli çökeltileri, RRA ısıl işlemi ile elde edilmiştir. 5. Oksijen miktarı son derece az olduğu için tespit edilememiş ancak EMPA Elektron Mikro Probe Analysis sistemi ile analizinin yapılması gerekmektedir. 5. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 1139B kodlu TÜBİTAK-BİDEB 2241A Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Programı kapsamında desteklenmiştir teşekkür ederim. Bu araştırmanın konusu, deneysel çalışmaların yönlendirilmesi, sonuçların değerlendirilmesi ve yazımı aşamasında yapmış olduğu maddi manevi büyük katkılarından dolayı tez danışmanım Sayın Prof. Dr. Mehmet ŞİMŞİR hocama, her konuda yardımlarını esirgemeyen başta ailem ve arkadaşlarıma teşekkür ederim.

13 6. KAYNAKLAR [1] Rendigs K H. Aluminium Structures Used in Aerospace-Status and Prospects, Journal of Material Science. Forum, 242: 11-24, 1997 [2] Baydogan, M., Çimenoğlu, H., Kayalı, E.S., RRA İşleminin 7075 Alaşımının Mekanik Özelliklerine Etkisi, ITÜ Dergisi, Mühendislik, Cilt: 3, Sayı: 6, , 2004 [3] Holt, R.T., Raizenne, M.D., and Wallace, W., RRA Heat Treatment of Large Al 7075-T6 Components, Technical Report No: ADP010412, 1999 [4] Karaaslan, A., Kaya, I., Atapek, H., Effect of Aging Temperature and Retrogression Treatment Time on the Microstructure and Mechanical Properties of Alloy AA 7075, Metal Science. and Heat Treatment, 49, , [5] BUYTOZ Soner, EREN Hülya, Al Metal Matris Kompozitlerin Abrasiv Aşınma Performansına Takviye Elemanlarının Etkisi Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Bölümü, Elazığ [6] SUR G, ŞAHİN Y, GÖKKAYA H,, Ergimiş Metal Karıştırma ve Basınçlı Döküm Yöntemi ile Alüminyum Esaslı Tanecik Takviyeli Kompozitlerin Makine Eğitimi Bölümü, Teknik Eğitim Fakültesi, Gazi Üniversitesi, 06500, Beşevler, Ankara, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, 06570, Tandoğan, Ankara, [7] ÖZDİN Kamil, MUTLU İbrahim, ÖNER Cengiz, YILDIZ Enver, SiC Partikülleriyle Takviyelendirilmiş Al-2011 Matrisli Kompozitin Zımpara ile Sulu Kayma Aşınmasının incelenmesi, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları: 2006 [8] Dasgupta, Rupa, Meenai, Humaira, SiC Particulate Dispersed Composites of an Al Zn Mg Cu Alloy: Property Comparison with Parent, Alloy, Materials Characterization, 54, , 2005 [9] Kök, M., Al2O3 İle Takviyelenmiş Metal Matriksli Kompozit Malzemelerin Üretimi ve Seramik Takımlarla İşlenebilirliğinin Araştırılması, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi F.B.E., [10] Sahin, Y., Ozdin, K., Production ana evaluation the wear behaviour of SiCp reinforced 2011 aluminium alloy composites, 4th Balkantrib International Conference on Tribology, Erciyes Univesity, Vol. 2, pp , Kayseri, [11] Sha, Gang, Cerezo, Alfred, Early-Stage Precipitation in Al Zn Mg Cu Alloy (7050), Acta Materialia, 52, , [12] Smith, W.E., Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri, Demir Dışı Alaşımlar, Cilt 2, çeviri M. Erdoğan, Nobel Dağıtım, [13] Abolhasani, A., Zarei-Hanzaki, H.R., Abedi, M.R. Rokni, The room temperature mechanical properties of hot rolled 7075 aluminum alloy, Materials and Design, 34, , 2012