VİBRASYON ALTINDA DÖKÜM YÖNTEMİYLE ÜRETİLMİŞ A380 ALÜMİNYUM ALAŞIMININ ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 VİBRASYON ALTINDA DÖKÜM YÖNTEMİYLE ÜRETİLMİŞ A380 ALÜMİNYUM ALAŞIMININ ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Nurşen SAKLAKOĞLU 1, Simge GENÇALP 2 ÖZET Döküm proseslerinin kusurlarından biri değişken yüzey kalitesidir. Bu prosesler makinede işleme, parlatma, kaplama vs. gibi ikinci bir bitirme operasyonuna ihtiyaç duyduğu için bu durum rekabeti azaltmaktadır. Yazarlar katılaşma esnasında titreşim etkisiyle yüzey kalitesi yüksek ve birincil fazı geleneksel döküm yöntemlerine göre nispeten ince ve daha küresel tane yapısına sahip ingotlar üretmektedirler. Bu durum katılaşma prosesi esnasında, sıvı alaşımda normal olarak şekillenen dendritlerin daha sonra mekanik titreşim yoluyla kalıp içinde dağılmasına ve parçalanmasına neden olmaktadır. Bu çalışma, döküm esnasında kalıba titreşim uygulanmasının ingotun yüzey kalitesi ve mikroyapısına olan etkilerini inceleyen bir araştırmadır. Bu sayede istenen parlak yüzeylere yaklaşılabilineceği ve titreşim sayesinde kaba katı fazdan parçalanmış dendrit yapıya ulaşılabileceği ileri sürülmektedir. Anahtar Sözcükler: döküm, titreşim, yüzey kalitesi, küresel tane ABSTRACT One of the failings of casting processes is that variable surface quality is a common result. This can reduce the competitiveness of these processes because secondary finishing operations are required, i.e. machining, polishing, plating, etc. The authors have produced that die vibration can be used to polish surfaces and finer and more globular microstructures compared to conventional casting methods as they form during solidification. This gave rise to that during the solidification process, dendrites that formed normally in the liquid alloy were subsequently disturbed and fragmented by the mechanical vibration introduced into the melt. This study is an investigation that surface roughness and microstructure examined into the feasibility of applying vibration to die. Thus, the authors assert to be approached required polish surfaces and reached from coarse solid phase to fragmented dendrite structure owing to vibration. Keywords: casting, vibration, surface roughness, globular microstructure 1. GİRİŞ Alüminyum-silisyum alaşımları spesifik mukavemetlerinin (mukavemet/ağırlık) yüksek olması nedeniyle uzay-uçak ve otomotive endüstrisinde yaygın kullanım alanına sahiptirler. Bu döküm alaşımları iyi döküm kabiliyeti, yüksek mekanik özellikler, iyi kaynaklanabilirlik ve yüksek korozyon direnci gibi avantajlar sağlar. Katılaşma sırasında ortaya çıkan kusurlar, döküm esnasında kaçınılmaz şekilde oluşan porozite, parçalanan oksit filmlerinin yapıya karışması gibi pek çok faktör bu alaşımların mukavemet değerlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bununla birlikte tane boyutu ve morfolojisi, dendrit kolları arası mesafe, ikincil fazların oluşumu ve yapıya dağılımları mekanik özellikler üzerinde büyük etkiye 1 Doç. Dr., Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Böl., Manisa, Türkiye, nakbas@bayar.edu.tr 2 Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Böl., Manisa, Türkiye, simge.gencalp@bayar.edu.tr 75

2 sahiptir. Alüminyum parçaların mikro yapısı kimyasal bileşimine, ergitme prosesine, döküm prosesine ve soğuma hızına bağlı olarak gelişir [1,2]. Son zamanlarda, döküm prosesinin vibrasyon altında yapılmasının gravite dökümün mekanik özelliklerinin ve yüzey kalitesinin artırılmasında, tikso şekillendirmeler için biyet hazırlanmasında vb. için avantajlar sağladığı düşünülmektedir. Döküm sonrasında kötü yüzey kalitesi istenmeyen bir durumdur ve ikinci bir işleme operasyonu gerektirir, bu da maliyeti yükseltir. Döküm esnasında kalıba titreşim uygulanmasının yüzey kalitesini arttırdığına son zamanlarda yapılan çalışmalarda yer verilmektedir [6,7]. Döküm sırasında ergiyiğe ya da kalıba mekanik yada ultrasonik vibrasyon uygulanması tane büyümesi sırasında dendrit kollarının kırılmasına ve parçalanmasına yol açmaktadır. Böylece taneler küçülmekte ve dendrit kolları arası mesafe azalmakta bunun sonucu mekanik özellikler iyileşmektedir [3]. Bu çalışmada mekanik titreşim uygulanarak döküm yapılmış A380 alüminyum alaşımının mikro yapı incelemesi gerçekleştirilmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada kullanılan A380 alüminyum alaşımının spektral analiz sonucu elde edilen kimyasal kompozisyonu Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Bu çalışmada kullanılan A380 alüminyum alaşımının kimyasal kompozisyonu Si Fe Cu Mn Mo Zn Cr Ni A380 alüminyum alaşımı grafit bir pota içerisinde rezistanslı fırında ergitilmiştir. Ergitme esnasında alaşımın içerisine tane inceltici olarak 0.2 gr stronsiyum ilave edilmiştir. Ergitmeden hemen önce ergiyik içerisine flux eklenmiş böylece hem ergiyik içerisindeki gazı giderilmiş hem de içerisindeki kirlilik ergiyiğin yüzeyine çıkararak kolayca temizlenmesine imkan vermiştir. Gravite döküm esnasında sıcaklık K tipi bir termokupl yardımıyla ölçülerek, A380 alüminyum alaşımının döküm sanayinde kullanılan döküm sıcaklığı olan 700 C de gerçekleştirilmiştir. Dökümün yapıldığı kalıp malzemesi AISI 4340 çeliğidir ve 160 mm boy, 30 mm iç çapa sahiptir. Ayrıca, döküm kalıbının iç yüzeyi de yapışmayı önlemek ve ingotun kolay çıkmasını sağlamak için BN ile kaplanmıştır. Farklı olarak bir de gravite döküm esnasında kalıba 5dk. ve 10 dk. olmak üzere iki farklı sürede titreşim uygulanmıştır (Şekil 1). Böylece titreşimin doğrudan döküm yapısına etkileri incelenebilmiştir. Kalıbın titreşim frekansı bir ivmemetre kullanılarak ölçülmüştür ve bu değer 5.75Hz dir. Titreşimin nihai ürünün yüzey kalitesine etkisini incelemek için elde edilen ürünlerin ortalama yüzey pürüzlülük değerleri araştırılmıştır. Yüzey pürüzlülük ölçümü Mitutoyo Surftest marka mekanik bir profilometre yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Döküm işlemleri tamamlandıktan sonra, test numuneleri %0.5 HF çözeltisi kullanılarak mikroskobik incelemeler için hazırlanmıştır. Numuneler CLEMEX dijital kamera ile desteklenen NIKON Ecilipse LV100 optik mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Farklı döküm şartlarında üretilen numunelerin sertlikleri BMS marka Brinell sertlik ölçme cihazında 62.5 kgf yük altında 2.5 mm çapındaki ball uç ölçülmüştür. 76

3 Şekil 1. Titreşim cihazı 3. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Şekil 2 titreşim uygulanmadan gerçekleştirilen döküm sonucu elde edilen mikro yapıları göstermektedir. Görüldüğü gibi, boyu 1 mm ye yaklaşan kolonsal tip dendritik katılaşma gerçekleşmiştir. Dendrit kolları arasında silisyum ötektik yapısı ile açık gri renkli intermetalik bileşikler de gözlenebilmektedir. 77

4 (a) (b) Şekil 2. Gravite dökümden elde edilen A380 alaşımına ait mikroyapı (a) 50x büyütme, (b) 100x büyütme 78

5 Şekil 3 de 5 ve 10 dk vibrasyon uygulanmış malzemelere ait mikro yapılar görülmektedir. Görüldüğü gibi, 5 dk vibrasyon uygulanmış numunede dendrit kollarında kısmen kırılmalar meydana gelerek bireysel tanelerin oluşumu gerçekleşmiştir. Ancak dendritlerin hala belirgin şekilde varlıklarını sürdürmesi uygulanan vibrasyonun dendrit kollarının kırılmasında yetersiz olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, bu vibrasyon koşulunda taneler arasında silisyum ötektiğinin çok ince oluştuğu ancak tane sınırlarına yakın bölgelerde daha belirgin oluştuğu mikro yapı fotoğraflarından görülebilmektedir. Titreşim süresi arttıkça oluşan tanelerin bir araya toplandığı, homojen bir şekilde dağılamadığı ve kümelendiği gözlemlenmiştir (Şekil 3-b). Ayrıca titreşim süresi arttıkça taneler arası ötektik yapı daha belirgin olmuştur. Sonuç olarak, vibrasyon altında dökümün kısmen de olsa dendrit yapıları kırma eğilimi gösterdiği görülmüştür. F. Taghavi ye göre [4] vibrasyon enerjisi ergiyikte dalgalar oluşturur. Bu dalgaların hareketi periyodik basma-çekme kuvvetlerinin oluşumuna neden olur. Ayrıca, vibrasyon enerjisi dendrit kolları üzerinde kuvvet uygulayarak dendrit kollarının kırılmasına yol açar. Her iki etki de alaşımın katılaşması ve tane büyümesi üzerinde önemli etkiye sahiptir F. Taghavi ve ark. [4] Vibrasyonun süresi ve frekansına bağlı olarak -Al fazının boyutu ve morfolojisinin önemli oranda değiştiğini, C. Limmaneevichitr ve ark. [4] mekanik vibrasyon arttıkça tanelerin daha küçük ve küresel formda oluştuğunu göstermişlerdir. (a) Şekil 3. Gravite döküm esnasında 5dk titreşim uygulanmış mikro yapı: (a), Gavite döküm esnasında 10 dk titreşim uygulanmış mikro yapı: (b) 79

6 (b) Şekil 3(Devamı). Gravite döküm esnasında 5dk titreşim uygulanmış mikro yapı: (a), Gavite döküm esnasında 10 dk titreşim uygulanmış mikro yapı: (b) Şekil 4 te titreşim süresinin ortalama yüzey pürüzlülük değerine etkisine ait grafik verilmiştir. Grafik incelendiğinde titreşimin yüzey pürüzlülüğünü düşürdüğü gözlemlenmektedir. Titreşim süresi arttıkça yüzey kalitesi artmıştır. Titreşim süresi 0 dk için R a =1.42µm, 5 dk için R a =1.13µm, 10 dk için R a =0.96µm ortalama yüzey pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Katılaşma sırasında ergiyik ve kalıp yüzeyi arasındaki relatif hareket katılaşan yüzeyde distorsiyona yol açarak yüzey pürüzlülüğünün azalmasına neden olmaktadır [7]. Ayrıca yüzey pürüzlülük değerleri incelendiğinde nihai ürünün yüzey kalitesinin kalıp yüzeyine bağlı olması gerektiği halde titreşim hareketi ile ergiyik üzerindeki ıslatma kuvvetleri azalmış böylece yüzey kalitesi titreşim süresine bağlı olarak değişim göstermiştir [7]. 80

7 2,5 Ortalama Yüzey Pürüzlülüğü (Ra) 2 1,5 1 0, en yüksek en düşük ort Titreşim süresi (dk.) Şekil 4. Titreşimin ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi Şekil 5 te döküm esnasında uygulanan titreşim süresinin sertliğe etkisini içeren grafik görülmektedir. En düşük sertlik değeri titreşim uygulanmamış gravite dökümden elde edilmiştir (70.16HB). Titreşim etkisi ile sertlik değeri artmıştır. Ancak titreşim süresinin artması ile sertlikte düşüş meydana gelmiştir. Bu durum mikro yapı sonuçlarını destekler niteliktedir (Şekil 3). Titreşim süresinin 10 dk olması ile α-al taneleri bir araya toplanarak kümelenmiştirler. Yapıda homojen bir tane dağılımı oluşamadığından sertlik değeri düşmüştür. Ancak dendrit kollarının kısmen kırıldığı, tanelerin yapıda homojen dağılım gösterdiği ve ötektik yapının oldukça inceldiği 5dk titreşim uygulanmış dökümde sertlik değeri maksimum ulaşmıştır (78,65HB) Sertlik (HB) dk. 5dk. 10dk. Titreşim süresi (dk.) Şekil 5. Titreşimin sertliğe etkisi 4. SONUÇLAR Bu çalışmada vibrasyon altında döküm sonucu dendrit kollarının kısmen kırıldığı ancak küresel yapının oluşamadığı gözlenmiştir. Titreşimin etkisi ile yüzey kalitesinin iyileştiği böylece son işlem uygulamasına gerek olmadığı sonucuna varmışlardır. Dendrit kollarının kırılması, tanelerin katılaşma esnasında homojen dağılımı ve ötektik yapının incelmesi ile sertlik artmıştır. Yazarlar farklı sıcaklıklarda ve farklı frekans/genlik ve sürelerde vibrasyon uygulayarak döküm yapılmasının küresel tane oluşumunu sağlayacağına inanmaktadırlar. Bu 81

8 amaçla, daha detaylı çalışmalar yapabilmek üzere, laboratuarımızda mevcut vibrasyon cihazının farklı frekanslarda vibrasyon üretebilmesi için modifikasyonu üzerinde çalışmaktadırlar. TEŞEKKÜR Bu çalışma Celal Bayar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri FBE numaralı proje desteği ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmadaki katkılarından dolayı teşekkür ederiz. 82

9 5. KAYNAKLAR [1] S.G. Shabestari, H. Moemeni, Effect of copper and solidification conditions on the microstructure and mechanical properties of Al Si Mg alloys, Journal of Materials Processing Technology, Volumes , 10 November 2004, Pages [2] L. Ceschini et al. / Journal of Materials Processing Technology 209 (2009) [3] K. Kocatepe / Materials and Design 28 (2007) [4] F. Taghavi et al. / Materials and Design 30 (2009) [5] C. Limmaneevichitr et al. / Materials and Design 30 (2009) [6] M.T. Alonso Rasgodo, K. Davey, The Effect of Vibration on Surface Finish for Semisolid and Cast Components, journal of Materials Processing Technology (2002). [7] M.T. Alonso Rasgodo, K. Davey, Vibration and Casting Surface Finish, journal of Materials Processing Technology (2004). 83