TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 6, No: 3, 2009 (89-100) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 6, No: 3, 2009 (89-100) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Kısa Makale (Short Communication) Nurşen SAKLAKOĞLU, Hakan ÇOLAKOĞLU, Simge GENÇALP Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, MANİSA Özet Bu makalede, Al-4Zn-3Mg alaşımının SIMA prosesi ile yarı-katı halde mikroskobik morfolojisi incelenmiş ve ön deformasyonun etkileri, mikroyapısal gelişim ve sertlik değişimleri belirlenmiştir. Deney sonuçları göstermiştir ki, tane yapısı homojen olmayan ön deformasyon nedeniyle malzemenin kenarından merkezine farklılıklar göstermiştir ve izotermal ısıl işlemler malzemenin sertliğini azaltmıştır. Anahtar Kelimeler : Al Alaşımı, SIMA Prosesi, Yarı-Katı Halde Şekillendirme Microstructural Evolution Of Al-4Zn-3Mg Alloy Produced By SIMA Process Abstract In this paper, the microscopic morphology of a semi solid Al-4Zn-3Mg alloy by strain induced melt activated (SIMA) process were investigated, and the effects of predeformation, microstructural evolution and hardness changes were determined. The experimental results showed that the grain structure exhibited the diffrence from the edge to the center of the sample because of non-uniform predeformation and isothermal heat treatments reduced hardness of material. Keywords : Al Alloy, The SIMA Process, Semi-Solid Processing GİRİŞ Metallerin yarı-katı halde şekillendirilmesi 1970 li yılların başında MIT (Massachusetts Institute of Tecnology) de dendritik olmayan yapıların yüksek akışkanlık özelliğinin keşfedilmesiyle başlamış olan ve son yıllarda giderek daha çok ilgi toplayan alternatif bir üretim prosesidir [1, 2]. Malzemelerin yarı katı halde şekillendirilebilmesi için küresel tane yapısına sahip olmaları gerekmektedir. Dolayısıyla yarı-katı şekillendirme proseslerinin en önemli adımlarından biri küresel tane yapısının elde edilmesidir. Küresel tane yapısı alaşım sıvı halde iken başlayarak mekanik, manyetik yada ultrasonik karıştırma ve kontrollü bir soğuma ile gerçekleştirilebildiği gibi, alaşım katı halde iken aşırı deformasyonu takip eden yeniden kristalleşme ile de gerçekleştirilebilir [3]. Bu makaleye atıf yapmak için Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S., Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2009 (6) How to cite this article Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S Microstructural Evolution Of Al-4Zn-3Mg Alloy Produced By SIMA Process Electronic Journal of Machine Technologies,2009 (6)

2 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Deformasyon ve yeniden kristalleşme metodu olarak bilinen SIMA (Stres Induced Melt Activated) prosesi, katı halde yarı mamul üretimi için kullanılan 1980 li yılların ortalarında geliştirilmiş bir yöntemdir. Bu yöntemde döküm sonrası malzeme yüksek oranlarda deformasyona tabi tutularak dendrit yapı kırılır ve ince uzun taneli deforme olmuş yapı elde edilir. Soğuk deformasyonu takiben yarı-katı sıcaklığına kadar yapılan ısıtma işlemi sırasında, öncelikle tane sınırı segregasyonu ve yeniden kristalleşme gerçekleşir. Daha sonra sıcaklığın solidüsü geçmesiyle birlikte tane sınırlarında bulunan ötektik fazlar ergiyerek sıvı fazı oluştururlar. Şekil 1 de görüldüğü gibi malzemenin nihai yapısı sıvı fazlar tarafından çevrilmiş küresel katı partiküllerden oluşur [4]. Şekil 1. Tipik bir yarı-katı hal mikroyapısı Günümüzde demir-dışı alaşımların dökümle üretiminde en çok kullanılan yöntem basınçlı döküm yöntemidir. Proses pahalı değildir ve çeşitli boyutlarda ve karmaşıklıkta ürünlerin üretilmesinde çok başarılıdır. Ancak homojen özelliklerin sağlanmasında ve tüm ürünlerde aynı kalitenin sağlanması açısından yarı-katı şekil verme prosesleriyle yarışamamaktadır. Basınçlı dökümde ürün özelliklerini olumsuz etkileyen en önemli problem porozite problemidir. Yarı katı şekillendirme ile bu problem en aza indirilebilmektedir. Dövme ile özellikle alüminyum alaşımlarında istenen özellikte ürün elde edilebilmektedir ve uçak, uzay ve otomobil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak dövme ile nihai ürün elde etmek mümkün değildir ve yarı-katı şekil verme prosesleriyle elde edilen ince kesitler ve dar toleransların kontrolü dövme ile sağlanamaz. Yarı-katı şekil verme proseslerinin karakteristik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Yarı-katı şekil verme proseslerinin karakteristik özellikleri Karakteristik Sıvı metale göre daha düşük ısı içeriği Kalıba dökülürken daha katı bir yapı Sıvı metallere göre daha yüksek ve kontrol edilebilen viskozite Katı metale göre daha düşük akış gerilmesi Farklı metalleri birleştirme kabiliyeti Sıvı ve katı bölgelerin kolayca ayrılabilmesi Potansiyel Yararları ve Uygulamaları Daha hızlı parça üretimi ve daha hızlı sürekli döküm Daha az kalıp erezyonu Demir esaslı malzemeleri şekillendirme Yüksek ergime dereceli metallere şekil verilmesi Reaktif metallerin şekil verilmesi Daha az kendini çekme boşluğu Daha az malzeme gereksinimi Daha az makro segregasyon İnce tane yapısı Daha az gaz kapma Oksitlenmenin azalması- daha iyi mekanik özellikler Daha hızlı parça üretimi ve iyi yüzey kalitesi Otomasyona uygunluk Karmaşık parçaların üretilmesi Daha düşük şekillendirme maliyeti Yüksek üretim hızı Kompozitler Arıtım 90

3 Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S. Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Alüminyumun düşük özgül ağırlığa sahip olması ve özellikle sertleştirildikten sonraki mukavemeti ile çeliklerle yarışabilir olması, bugün üzerinde en çok çalışılan malzeme olmasını sağlamıştır. Bu çalışma, bir alüminyum alaşımının SIMA prosesi ile yarı-katı halde şekillendirilmesi üzerine bir araştırmadır. Literatürde yarı-katı şekillendirme ile ilgili pek çok çalışma vardır. Bunlar arasında SIMA prosesi ile ilgili çalışmaların çok fazla olmadığı göze çarpmaktadır. Daha önceki çalışmalarımızda Al-3Mg [5] ve Al-5Zn- 2Mg-2Cu [6] alaşımlarının SIMA prosesi ile üretilmesinde mikroyapı gelişim aşamaları incelenmiştir. Bunun dışında Yu Sirong ve ark., Haitao Jiang ve ark., Jae Chan Choi ve Hyung Jin Park [3, 7, 8, 9] gibi araştırmacılar çeşitli alüminyum alaşımlarının SIMA prosesi ile üretilmesi üzerine çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmada Al-4Zn-3Mg alaşımının SIMA prosesi ile üretilmesi sırasında ön deformasyonun küresel tane yapısının oluşumuna etkileri araştırılmıştır. DENEYSEL ÇALIŞMA VE YÖNTEM Bu çalışmada 28x31x21 mm boyutlarında 7xxx seri alüminyum alaşımlarından olan ve spektral analiz sonuçları Tablo 2 de verilen Al-4Zn-3Mg alaşımı kullanılmıştır. Tablo 2. Al-4Zn-3Mg alaşımının spektral analiz sonucu Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Ni Pb Sn Sb Al Sr Numuneler önce tam tavlama işlemine tabi tutulmuştur. Bu amaçla numuneler 415 C de 3 saat tutulmuş, fırından dışarı çıkartılmadan sıcaklık 345 C ye indirilmiş, bu sıcaklıkta 1 saat bekletildikten sonra havada soğutulmuştur [10]. Tam tavlama işleminden sonra numunelere 550 tonluk hidrolik bir preste %20, %35 ve %55 oranında ön deformasyon uygulanmış ve bunu takiben rezistans ısıtıcılı bir fırında 620 ve C sıcaklıkta 15 ve 20 dakika tutulup suda soğutularak küresel tane yapısının oluşumu gözlenmiştir. Uygulanan izotermal ısıl işlem koşulları Tablo 3 te görülmektedir. Her bir numune metalografik olarak hazırlanmış, optik mikroskopta incelenmiş ve SEM incelemesi ile EDS analizleri ile sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. İzotermal ısıl işleme tabi tutulan numunelerin mikroyapı gelişimleri Şekil 2 de görülmektedir C de - 15 dakika bekletildiğinde %20 ön deformasyonda numune merkezi tamamen yönlenmiş tanelerden oluşurken, numune kenarlarında yeniden kristalleşmenin başladığı görülmektedir. 20 dakika bekletildiğinde yeniden kristalleşme oranında herhangi bir artış olmayıp artan süre tanelerin irileşmesine neden olmuştur C de 15 dakika bekletildiğinde %35 ön deformasyon oranında numune kenarının tamamen yeniden kristalleştiği ancak numune merkezinde yeniden kristalleşmenin henüz yeni başladığı görülmektedir. 20 dakika bekletildiğinde hem numune kenarı hem de merkezinde yeniden kristalleşmenin gerçekleştiği ancak tanelerin irileştiği görülmektedir. %55 ön deformasyon oranı için C de 15 ve 20 dakikada hem numune kenarında hem de merkezinde yeniden kristalleşme gerçekleşmiştir C 15 dakikada %20 ve %35 ön deformasyonlar için numune kenarlarında yeniden kristalleşme gerçekleşirken, numune merkezlerinde yeniden kristalleşmiş tanelerin yanında deformasyonun etkisi olan uzamış taneler görülmektedir. %55 deformasyonda ise hem numune kenarı hem de merkezinde yeniden kristalleşme tamamlanmıştır C 20 dakikada %20 deformasyon oranında numune merkezi uzamış taneler içermekte, %35 ve %55 deformasyonlarda numune tamamen yeniden kristalleşmiş durumdadır. Artan sıcaklık ve süre tane sınırlarında sıvı faz oluşumunu ve sıvı faz miktarının artışını sağlamakta bu ise yarı-katı şekillendirme prosesleri için ideal olan tane sınırları sıvı fazca ıslatılmış mikroyapı oluşumunu

4 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) sağlamaktadır. İzotermal ısıl işlem sıcaklık ve süresinin artışı aynı zamanda tane boyutunun artışına da neden olmaktadır. %55 ön deformasyon oranı için C de 15 ve 20 dakikada hem numune kenarında hem merkezinde yeniden kristalleşme gerçekleşmektedir. %20 deforme edilmiş %35 deforme edilmiş %55 deforme edilmiş Şekil 2 (a). Tam tavlanmış ve çeşitli oranlarda ön deformasyona tabi tutulmuş malzemelerin mikroyapıları 92

5 Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S. Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Merkez %20 deforme edilmiş Kenar C /15 dakika C / 20 dakika C / 15 dakika C / 20 dakika Şekil 2 (b). İzotermal ısıl işleme tabi tutulan numunelerin mikroyapı gelişimleri

6 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Merkez %35 deforme edilmiş Kenar C /15 dakika C / 20 dakika C / 15 dakika C / 20 dakika Şekil 2 (c). İzotermal ısıl işleme tabi tutulan numunelerin mikroyapı gelişimleri 94

7 Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S. Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Merkez %55 deforme edilmiş Kenar C /15 dakika C / 20 dakika C / 15 dakika C / 20 dakika Şekil 2 (d). İzotermal ısıl işleme tabi tutulan numunelerin mikroyapı gelişimleri Şekil 3 te izotermal ısıl işlem görmemiş ve C de 20 dakika ısıl işleme tabi tutulmuş %20 ön deformasyonlu numunelere ait SEM görüntüleri verilmiştir. Burada da, numune kenarında yeniden kristalleşme sonucu küresel taneler oluşumu gözlenirken, numune merkezinde uzamış tanelerin varlığı göze çarpmaktadır. Bununla birlikte, Al matrikste çok sayıda beyaz partikülün homojen olarak dağıldığı görülmektedir (Şekil 3-a). Şekil 4 te tam tavlanmış koşulda Al-4Zn-3Mg alaşımının genel matriks

8 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) yapısından ve beyaz çökeltiden alınan EDS spektrum ve analizi görülmektedir. Görüldüğü gibi, beyaz çökelti matrikse göre Zn ve Mg-ca zengin bir Al yapısıdır. Şekil 5 de C de 20 dakika ısıl işleme tabi tutulmuş %20 ön deformasyonlu numuneye ait EDS spektrum ve analizi görülmektedir. Buna göre, izotermal ısıl işlemden sonra Zn ve Mg un yapıya dağıldığı ama en çok tane sınırı ve tane içindeki partiküllerde bulunduğu görülmektedir. Sertlik değişimleri incelendiğinde (Şekil 6), beklenildiği gibi deformasyon oranı arttıkça numunelerin sertliği de artmıştır. İzotermal ısıl işlemden sonra ise sıcaklık ve süre arttıkça toparlanma ve yeniden kristalleşme ile birlikte sertlik değerlerinin azaldığı belirlenmiştir. Deforme edilmiş malzeme yeni, gerilim içermeyen ve eş-eksenli yapılara dönüşerek soğuk deformasyon etkisi kaybolmuştur [11]. (a) (b) (c ) Şekil 3. SEM mikroyapı görüntüleri (a) Tam tavlanmış ve %20 oranında öndeforme edilmiş malzeme, (b) %20 ön deformasyonlu C 20 dakika izotermal ısıl işlem görmüş numunenin kenar görüntüsü, (c ) %20 ön deformasyonlu C 20 dakika izotermal ısıl işlem görmüş numunenin merkez görüntüsü 96

9 Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S. Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) (a) matriks yapı, 2000x (b) beyaz çökelti, 2000x Şekil 4. Tam tavlanmış koşulda Al-4Zn-Mg alaşımına ait EDS spektrum ve analizi

10 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) (a) matrix yapı, 2000x (b) tane sınırı, 2000x (c) beyaz partikül içi, 3000x Şekil C de 20 dakika ısıl işleme tabi tutulmuş % 20 ön deformasyonlu numuneye ait EDS spektrum analizi 98

11 Saklakoğlu, N., Çolakoğlu, H., Gençalp, S. Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) Şekil 6. Sertlik değişimleri SONUÇLAR Bu çalışma ile elde edilen sonuçlar aşağıda maddelenmiştir: 1. Al-4Zn-3Mg alaşımının yarı-katı halde şekillendirilebilmesi için SIMA prosesi ile küresel tane yapısı elde edilebilmesi mümkündür. 2. SIMA prosesi yeniden kristalleşme prosesi olduğundan, küresel tanelerin elde edilebilmesi yeniden kristalleşme sıcaklığına bağlıdır. Yeniden kristalleşme sıcaklığı ise ön deformasyon oranına bağlıdır. Ön deformasyon oranı arttıkça malzeme daha düşük sıcaklıklarda yeniden kristalleşmeye başladığından, buna bağlı olarak küresel tanelerin elde edilmesi daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilmektedir. 3. İzotermal ısıl işlem görmüş Al-4Zn-3Mg alaşımının tane sınırlarının ve yapıya dağılmış olan beyaz çökeltilerin Zn ve Mg-ca zengin bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir. Bu da Al matriks yapısında segregasyon meydana geldiğini göstermektedir. KAYNAKLAR 1. Merton C. Flemings, Behavior of metal alloys in the semisolid state, Metalurgicall Transactions, V. 22B (1991), pp P. Kapranos, Semi-solid metal processing: an environmentally friendly process, Materials World (September 1994), Haitao Jiang and Miaoquan Li, Microscopic observation of cold-deformed Al 4Cu Mg alloy samples after semi-solid heat treatments, Materials Characterization, Volume 54, Issues 4-5, May 2005, Pages J.G. Wang, H.Q. Lin, Y.Q. Li and Q.C. Jiang, Effect of initial as-cast microstructure on semisolid microstructure of AZ91D alloy during the strain-induced melt activation process, Journal of Alloys and Compounds, Article in Press, Corrected Prof, Volume 457, 2008, Pages Nursen Saklakoglu, I. Etem Saklakoglu, Metin Tanoglu, Ozgu Oztas and Onder Cubukcuoglu, Mechanical properties and microstructural evaluation of AA5013 aluminum alloy treated in the

12 Teknolojik Araştırmalar 2009 (6) semi-solid state by SIMA process, Journal of Materials Processing Technology, Volume 148, Issue 1, 1 May 2004, Pages A. Turkeli, N. Akbas, Formation of non-dendritic structure in 7075 wrought aluminum alloy by SIMA process and effect of heat treatment, in: Proceedings of the Fourth International Conference on Semi-solid Processing of Alloys and Composites, Sheffield, UK, 1996, pp Yu Sirong, Li Dongcheng and N. Kim, Microstructure evolution of SIMA processed Al2024, Materials Science and Engineering: A, Volume 420, Issues 1-2, 25 March 2006, Pages Haitao Jiang and Miaoquan Li, Grain growth of Al-4Cu-Mg alloy during isothermal heat treatment Journal of University of Science and Technology Beijing, Mineral, Metallurgy, Material, Volume 13, Issue 1, February 2006, Pages Jae Chan Choi and Hyung Jin Park, Microstructural characteristics of aluminum 2024 by cold working in the SIMA process, Journal of Materials Processing Technology, Volume 82, Issues 1-3, 1 October 1998, Pages Metals Handbook, Forming and forging, 9. Edition, V.14 ASM International 11. P.L. Mangonon, The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice-Hall Inc. (1999) ISBN