SIMA Yöntemi ile SiC Takviyeli A380 ve 6063 Kompozit Üretimi

Transkript

1 2015 İstanbul ÂLUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium SIMA Yöntemi ile SiC Takviyeli A380 ve 6063 Kompozit Üretimi SİC Partide Reinforced A\38Q and 6063 Composite Production by SIMA Emirhan Aydın1, Eray Erzi1, Çağlar Yüksel2, Derya Dışpınar1 'İstanbul Üniversitesi. 2Yıldız Teknik Üniversitesi / Türkiye ÖZET Yarı katı şekil verme yöntemlerinde birisi de SIMA (Strain Induced Melt Activated) yöntemidir. Bu yöntemle alaşım a+sıvı yarı katı sıcaklığına çıkartılır ve bir süre bekletilmesinden sonra 30 tonluk pres altında şekil verilir. Homojen mikroyapı ve izotropik mekanik özellikler elde edilmesinde tercih edilen üretim yöntemlerinden birisidir. Fakat bugüne kadar bu yöntemle kompozit malzeme üretimi denenmemiştir. Bu çalışmada farklı tane boyutuna sahip ( pm) SiC partikülleri C arası sıcaklıklarda farklı bekletme süreleri sonrasında 30 ton pres altında sıkıştırılması ile SIMA yöntemi ile A380 döküm alaşımında ve 6063 dövme alaşımında kompozit malzeme üretimi araştırılmıştır. SiC partiküllerin ıslatılabilirliği ve matriks alaşımına karışım oranları ile metalografık inceleme yapılarak malzeme karakterize edilmiştir. Anahtar kelimeler: SIMA, SiC, A380, 6063, kompozit 1. GİRİŞ Endüstrinin bir çok alanında milyonlarca farklı ürünün yapımında kullanılan gri renkli ve sünek bir yapıya sahip olan metal olan alüminyum dünya ekonomisinde çok önemli bir yere sahiptir. Dünya pazarında çelikten sonra en çok kullanılan malzemedir. Dünya da en çok bulunan üçüncü element olması haricinde düşük yoğunluğa sahip olması, gösterdiği sünek davranış, alaşımlandırıldığmda mukavemet kazanması, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği ve korozyona karşı gösterdiği direnç alüminyumu bu kadar önemli bir element haline getiren özelliklerdendir.bu kadar iyi özelliğin yanında döküm ve mekanik özellikleri kötü olan alüminyuma yapılan alaşımlama işlemleri ile bu özellikler çok iyi bir şekilde iyileştirilir. Bunun için bazı alaşım elementlerinin özellikleri çok iyi bilinmelidir. Oturum i Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes 555 ALUS'07

2 ALUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Yukarda değinilen konular dahilinde alüminyuma elde edilmek istenen özelliklere göre yaklaşık %20 ye kadar Si ilavesi yapılabilir. Özellikle bir miktar Mg ilavesi ile alaşımımız iyi bir ısıl işlem özelliğine kavuşabilir veya % 0.3 e kadar Cu ilavesi ile sert bir yapı kazanabiliriz. Biz de bu çalışmamızda A380 döküm alaşımı ve 6063 dövme alaşımını kullanarak SiC takviye ederek SIMA yöntemiyle kompozit malzemeyi üretmeye çalışıp bu iki farklı alaşımdan oluşan kompozitlerin bazı mekanik özelliklerinin karşılaştırılmasını inceledik. 2. METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER Adından da anlaşılacağı üzere MMK matrisi sünek metal olan kompozitlerdir. Bu tür malzemeler, takviyesiz olan metallere göre daha yüksek ortam sıcaklıklarında kullanılabilir, takviye işlemi ayrıca özgül rijitliği, özgül dayanımı, aşınma dayanımı, sürünme direnci, ısıl iletkenliği ve boyutsal kararlılığı da arttırabilir. Süper alaşımların yanında alüminyum, magnezyum, titantyum ve bakır da matris malzemesi olarak kullanılan metal malzemelerdir. Takviyler; parçacık, sürekli ve süreksiz elyaf ve visker şeklindedir. Sürekli elyaf malzemesi olarak karbon, silisyum karbür, bor karbür, alüminyum oksit ve refrakter metaller kullanılabilir. Süreksiz takviye malzemesi olarak silisyum karbür viskerler, karbon elyafı, silisyum karbür ve alüminyum oksit parçacıkları sayılabilir[l ]. Otomotiv üreticileri sın zamanlarda MMK leri ürünlerinde kullanmaya başlamışlardır. Örneğin bazı motor parçaları, alüminyum oksit veya karbon elyaf ile dayanımı arttırılmış alüminyum alaşımı matrise sahiptir. Bu MMK parçalar, hafif ve aşınma ve ısıl çarpılmaya dirençlidir. Havacılık sektörü de MMK leri kullanmaktadır. Gelişmiş alüminyum alaşımı metal matrisli kompozitlere ait yapısal uygulama örnekleri arasında, bor elyafın kullanıldığı uzay mekiği uyduları ve sürekli grafit elyafın kullanıldığı Hubble Uzay Teleskobu yer almaktadır. Tablo 1: Bazı MMK'lerin özellikleri[2] Matris Fiber Fiber Yüzdesi (%) Yoğunluk Fiber Yönünde Çekme Dayanımı (GPa) Ti Bars* 45 3, AZ31 Mg Karbon 38 1, Al 6061 SİC 50 2, Al 380 Alumina ALUS Oturum { Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes

3 2015 İstanbul ÂLUS'07 * 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium MMK'lerin metallere ve diğer kompozit malzemelere göre üstünlükleri aşağıda verilmiştir[l] Matris malzemesi polimer ve seramik kompozitlerden farklı olarak saf veya alaşımlı metaldir. MMK lerde takviye malzemesinin rolü polimer matrislilerde olduğu gibi çekme dayanımını arttırmaktır. SMK lerde ise amaç, darbe dayanımını iyileştirmektir. Takviye edilmemiş matris alaşımlarının sünekliği ve tokluğu, takviye edilenden düşük olduğu halde SMK lerden yüksektir. MMK lerin termal dayanımları PMK lerden yüksek fakat SMK lerden düşüktür Parçacık Takviyeli Kompozitler Kompozit malzemelerin takviye elemanın cinsine göre sürekli fiber takviyeli, süreksiz fiber takviyeli ve partikül takviyeli olarak smıflandırılabileceğini söyleyebiliriz. Kompozit malzemelerde malzemenin mukavemetini büyük ölçüde arttıran takviye elemanları fiberlerdir. Fakat fiber takviye elemanlarının üretimi oldukça zor ve pahalıdır. Ayrıca fiber takviyeli olarak üretilen kompozitlerin daha sonradan yapılacak işlemlerle şekillendirilmesi yapıyı bozacağından üretildiği şekilde kullanılmaları gerekmektedir. Bu şekildeki olumsuzluklar ve maliyet faktörü ön plana çıktığında düşük maliyetli kompozitler üretilmek için çalışmalar yapılmıştır. MMK malzemelerin gelişimi tarihsel olarak ele alındığında, ticari anlamda üretimleri için başlangıçta 2 yol izlenmiştir: Bunlar toz metalürjisi yöntemi ile kırpık (whisker) fiberli MMKlerin üretimi ve partikül takviyeli kompozitlerin üretimidir. Ancak kırpıkfiberlerin ve toz metalürjisi yönteminin maliyeti yüksektir. MMK alanındaki teknolojik gelişmelere paralel olarak 1970 ve 1980 lerdeki havacılık ve savunma sanayindeki performans odaklı beklentiler yerini maliyet odaklı beklentilere bırakmıştır. Bu nedenle teknik fizibiliteye ulaşan kırpık fiber takviyeli toz metalürjik kompozitlere olan ilgi azalmıştır[3], 2.2. Silisyum Karbür SiC parçacıklar, AI2O3 ve A1N gibi diğer seramik takviye elemanlarına göre sıvı alüminyum tarafından daha iyi ıslatılabilme ve ucuz olması sebebiyle çok sık olarak kullanılmaktadır. SiCp takviyeli kompozit malzeme, yüksek mukavemet, yüksek elastiste modülü, düşük termal genleşme katsayısı ve düşük yoğunluk özelliklerine sahiptir. Bu özellikleri sebebiyle uzay yapı elemanları, elektronik taşıyıcılar ve aşınma direnci yüksek olan alanlarda kullanılır[4], Oturum [ Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes 557 ALUS 07

4 ALUS Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Kısaca özetleyecek olursak SiC ün özellikleri şunlardır [4]; Mükemmel sertlik ve aşınma direnci Mükemmel korozyon direnci Ani sıcaklık değişimlerine karşı direnç Çeliğe göre daha çok ısıl iletim Çok düşük ısıl genleşme 2.3. Alüminyum Metal Matrisli Kompozit Malzemelerin Üretimi Kompozit üretim metodunun seçiminde, takviye ve matris malzeme, bunlar arasındaki reaksiyonlar, ürün kalitesi ve maliyeti etkili olmaktadır. Çoğu zaman yöntemler birbiri ile rekabet halinde olmakla beraber, her birinin diğerine göre üstünlükleri bulunmaktadır. Ancak tüm kompozit üretim metodlan geleneksel alaşım malzeme metodu ile kıyaslandığında, matris ile takviye elemanı etkileşimleri nedeniyle karmaşıklığı dikkati çekmektedir[5]. Metal matrisli bir kompozit malzemenin üretim tekniği; Üretilecek parçanın şekline İstenilen mekanik ve fiziksel özelliklere Matrise Takviye elemanı şekli ve türüne bağlıdır. Her üretim tekniğinin kendine özgü avantajları ve dezavantajlan mevcuttur[6]. Buna göre metal matrisli kompozit malzemelerin üretim yöntemleri şu şekilde sınıflanmaktadır [7]. Sıvı faz üretim yöntemleri Katı faz üretim yöntemleri Çift faz üretim yöntemleri. ALUS Oturum Session: Ekstrıızyon Prosesleri / Extrusion Processes

5 201 5 İstanbul ÂLUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2.4. SIMA Yarı katı durumda metal ve alaşımları şekillendirmek için sıvı faz içinde düzenli dağılmış küresel ve ince taneli yapılara ihtiyaç vardır. Birincil faz (katı) ne kadar küresel şekle ve homojenliğe, küçük tane boyutuna ve yüksek şekil faktörüne sahip ise o kadar yan katı şekillendirme kabiliyeti ve yüksek mekanik özellikler sağlanmaktadır. Yarı katı şekillendirmede küresel mikroyapıya ait malzeme tiksotropik davranış gösterir. Tiksotropi, kuvvet altında zamanla viskozitenin sürekli olarak azalması anlamına gelir ve kuvvet kalktıktan sonra malzemenin mekanik özellikleri eski haline döner. Yan katı işleminin en büyük avantajlarından birisi dentritlerin olmamasıdır. Dentritler olmadığı taktirde bifılmler sebebiyle çekme boşluğu ve porozite de olmaz. Günümüzde yarı katı şekillendirme için en çok kullanılan yöntemlerden birisi SIMA yöntemidir. SIMA yöntemi kristalleşme sıcaklığının üstünde ekstrüzyon, haddeleme gibi sıcak şekillendirmeden sonra soğuk deformasyon ve sonrasında tekrar ısıtma işlemlerini kapsar. 3.DENEYSEL ÇALIŞMALAR Kompozit malzeme üretimi için 6063 dövme alaşımı ve A380 döküm alaşımı olmak üzere 2 farklı alaşım kullanılmıştır. Takviye elemanı olarak SiC seçilmiştir ve farklı tane boyutlarında kullanılmıştır. Elek analizi sonrasında elde edilen numunelerden 50, 90, 120 pm lik boyutlarda SiCTer tercih edilmiştir. Kompozit malzemeyi üretmek için daha önce hiç kullanılmayan bir yöntem olan SIMA yöntemi seçilmiştir. Kısaca SIMA yöntemi matrisin yarı katı halindeyken daha önce belirlenen bir basınçla preslenmesi işlemidir. ys- 3 S] U9J Şekil 1: Kompozit üretiminde kullanılmak üzere hazırlanan plakaların kalıpları Oturum j Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes 559 ALUS 07

6 ALUS Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Kompozit malzemeyi üretmek için alüminyum 55x45x15 mm ebadtlanndaki plakalar oluşturulmuştur. Şekil l de kullanılan kalıbın geometrisi verilmiştir. Ardından iki plakanın arasına fırında önceden ısıtılan ve ısıtılmayan SiC ler konulmuştur ve farklı sıcaklıklarda yarı katı hale gelinceye kadar farklı sürelerde fırında bekletilmiştir. Daha sonra 5 ve 30 tonluk pres altında matris ve takviye elemanlarının birleşmesi amaçlanmıştır. 5 tane 6063 alaşımından ve 2 tane A380 alaşımından oluşan toplamda 7 tane kompozit parça üretilmiştir. Bunların yarı katı sıcaklığı ve fırında tutma süreleri birbirlerinden farklı olmasıyla birlikte sadece 1 tanesinde SiC ler ön ısıtma işlemine tabii tutulmuştur. Öncelikle 1. Numuneyi ele aldığımızda; 6063 alüminyum alaşımdaki plakalar ve 800 C de ön ısıtma işlemine uğramış 50pm SiC ler kullanılmıştır. 600 C de ve 30 dakikada yarı katı hale gelmiştir ve 20 kg lık çelik kütle pres görevi görmüştür. Presten sonra kesit alınıp partiküllerin büyük miktarda ıslatmayı sağladığı görülmüştür. - W: mm Şekil 2: 1. Numuneden alman kesit 2, 3, 4 ve 5. Numuneler için konuşacak olursak; yine 6063 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. 25 dakikada, sırasıyla 630 C, 650 C, 670 C ve 690 C sıcaklıklarında yarı katı hale gelen ve aralarında 50, 90 ve 120p luk SiC ler ayrı ayrı zon oluşturularak yüzeyi kaplayacak şekilde ilave edilmiştir. Bu numunelere 30 tonluk basınç uygulanmıştır. Fakat kesit alındığında ıslatmanın büyük partiküllü olan kısımlarında sağlanamadığı gözlemlenmiştir. Ayrıca küçük partiküllü olan kısımlarda da ıslatma olmuştur fakat ilk numuneye göre yeterli olmadığı gözlemlenmiştir. 6 ve 7. Numunelerde ise alaşım değişikliğine gidilmiştir dövme alaşımı yerine A380 döküm alaşımı kullanılmıştır. Aynı şekilde farklı tane boyutları için plakalarda zonlar ALUS Oturum Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes

7 2015 Istanbul ALUS'Û7 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium oluşturulmuştur. 6. Numuneyi ele aldığımızda, 690 C de ve 25 dakikada yarı katı hale getirip 30 tonda pres yapmak amaçlanmıştır. Fakat pres yapıldığında plakalar yarı katı halden de ziyade sıvı hale daha çok yaklaşmıştır. Hatta altta kalan alüminyum plaka, destek sağlasın diye en alta koyduğumuz çelik plakanın yüzeyine yapışmıştır. 7. Numuneye baktığımızda, sıcaklık 670 C ve süre de 15 dakikaya düşürülmüştür. Aynı şekilde SiC boyutları için 3 farklı bölge oluşturulmuştur ve 30 tonluk pres kullanılmıştır. Fakat bu deneyde de sıcaklık ve süre düşürülmesine rağmen presten soma plakalar yeterli bir şekilde yapışmayıp kesit alınırken birbirlerinde ayrıldığı gözlemlenmiştir. 4. TARTIŞMA İlk numuneden başlayacak olursak; daha önce de belirtildiği gibi bu numunede tek tane boyutu kullanılmıştır ve SiC lerin homojen olarak dağıldığı ve takviye elemanın matris tarafından ıslatılabildiği tespit edilmiştir. "A, '.-i ' O.4 m* Şekil 3: Alüminyum matrisi tarafında ıslatılan 50p luk SiC taneleri Yukarıda verilen şekilde genel olarak takviye elemanı olan SiC, matris tarafından ıslatılmıştır. Yani topaklanma sadece birkaç yerde gözlenmiştir. Partiküller, etki ettiği bölgede homojen olarak dağılmıştır. 2, 3, 4 ve 5. Numunelerimizde takviye elemanlarımız homojen olarak dağılmamıştır. Yani matris, takviye elemanı ıslatamamıştır. Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi 30 tonluk presle üretilen SiC içeren malzeme de birleşim noktası net olarak görülebilmektedir. Bu çizgi numune boyunca uzamaktadır ve bazı bölgelerde kesintilere uğramaktadır. Ayrıca burada Oturum i Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes 561 ALUS 07

8 ÂLUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul dağılmış partiküller de gözükmektedir. Skalanm gösterdiği değerle partikül yarıçapları kıyaslandığında, takviye elemanlarında homojen dağılmama gözlemlenmiştir. M «50ÿ Şekil 4: 30 tonluk presle üretilen 6063 alüminyum alaşımlı metal matrisli kompozitin birleşme çizgisi ve tozların ıslanmama durumu Daha önce de bahsedildiği gibi A380 alaşımlarından bir tanesi, sıcaklık ve süre fazla geldiği için neredeyse sıvı duruma geçmişti. Takviye elemanları daha pres esnasındayken dağıldığı için bu deneydeki sonuç olumsuz oldu. Diğer A380 alaşımı da metalografık işlemleri yapmak için mekanik testereye konulduğunda plakalar ayrılmıştı. Buna rağmen ayrılan plakaların içine doğru SiC yapışmasını incelemek için yine metalografık işlemler yapılmıştır fakat plakalar ayrıldığı için de bu işlem baya zor olmuştur. Eldeki bulguları tartışacak olursak öncelikle takviye elemanı olan SiCTeri ele almak gerekirse; kullanılan SiCTerden sadece ilk numunede bir ısıtma işlemi gerçekleşmişti. Diğer numunelerde herhangi bir ön ısıtma işlemi olmamıştı sadece iki plakanın yarı katı olması için firma koyduğumuzda plakalar arasında ısınmıştı. Bu ısıtmaların yeterli olmadığı söylenilebilir. Hatta Meena ve ark [8] SiCTer 1100 C sıcaklıkta ısıtılmış ve yapılan deneyler sonucunda olumlu bir sonuç elde edilmiştir. Ayrıca matrisin takviye elemanını ıslatabilme konusunu konuşacak olursak; işin içine yüzey gerilimi giriyor. Yüzey gerilimi dediğimiz şey sıvı üzerindeki kohezyon kuvvetinin etkisi ile sıvı yüzeyinin zar gibi davranmasıdır. Yüzey gerilimini etkileyen faktörler arasında sıvının ALUS Oturum Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes

9 20 i 5 İstanbul ÂLÜS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium cinsi (bu konu için konuşacak olursak sıvı alüminyum), sıcaklık ve yoğunluktur. Mesela sıcaklık arttıkça yüzey geriliminin azalması en azından bu sonucumuzu doğrulayabilir. Aydin [9] bir başka çalışmasında kaybolan köpük yöntemi kullanılarak SiC kompozit malzeme üretimini denemiştir. Ancak sıvı metal kalıp içerisinde ilerlerken, partikülleri süpürüp kalıp dışına doğru taşıdığını gözlemlemiştir. 5. SONUÇLAR A380 döküm alaşımında SiC ilaveli kompozit üretiminde, yarı katı halde şekil verilerek yapılan çalışmalarda ıslatma probleminden dolayı arzu edilen yapılar elde edilememiştir. A6063 alaşımında SiC partikülleri, ön ısıtma tabi tutulmaan dahi ıslatma sağlanarak SIMA yöntemi ile MMC üretimi gerçekleştirilebilmiştir. KAYNAKÇA [1], Callister, W.D. and Rethwisch, D.G., 2013, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği [2], J. W. Weeton, D. M. Peters and K. L. Thomas, Engineers Guide to Composite Materials, ASM International, Materials Park, OH, [3], Uygur, İ., Saruhan, H., 2004, SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 8.Cilt, l.sayı, Alüminyum Esaslı Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri [4] GÜL F, Acılar M, Basınçlı İnfıltrasyon Yöntemi İle Üretilen Al- SiCpKompozitlerde Parçacık Boyutunun Abrasif Aşınma Davranışına Etkisi Gazi Üniv.Müh. Mim. Fak. Der.. Cilt 22, No 2, , 2007 [5]. KILIÇ, C., Sıkıştırma Döküm Yoluyla Üretilmiş ve Soğuk Haddelenmiş AlMg3/SiCp Kompozitinin Aşınma Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Edime 2008 [6], EKER, A. A., Metal Matrisli Kompozit Malzemeler ve Üretim Yöntemleri, Yıldız Teknik Üniversitesi 2008 [7] BAŞÇI Ü.G, A1203 Parçacık Takviyeli Al-Cu Esaslı Metal Matrisli KompozitMalzeme Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsüŞubat İstanbul [8] K. L. Meena, Dr. A. Manna, Dr. S. S. Banwait, Dr. Jaswanti, An Analysis of Mechanical Properties of the Developed Al/SİC-MMC s [9] E. Aydın, E.Erzi, C. Yüksel, D. Dispinar, yayın aşamasında basılmamış çalışma Oturum Session: Ekstrüzyon Prosesleri / Extrusion Processes 563 ALUS 07