Ergün EKİCİ*, Mahmut GÜLESİN ** ve Yusuf ÖZÇATALBAŞ***

Transkript

1 ÖN KARIŞTIRILMIŞ VE SICAK PRESLENMİŞ Al-Cu ALAŞIMI TOZ METAL PARÇALARDA KIRKENDALL ETKİSİ VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİN ARAŞTIRILMASI Ergün EKİCİ*, Mahmut GÜLESİN ** ve Yusuf ÖZÇATALBAŞ*** * Düzce Üniversitesi, Cumayeri Meslek Yüksekokulu, Makine Bölümü, 81700, Düzce, ergunekici@duzce.edu.tr ** Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Teknikokullar, 06500, Ankara, gulesin@gazi.edu.tr *** Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Teknikokullar, 06500, Ankara, yusufoz@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada, ağırlıkça % 4,5 Cu ve kalanı Al tozları olmak üzere bir saat süreyle turbulada ön karıştırmaya tabi tutulmuştur. Karışım tozlar sıcak presleme yöntemiyle 570 C de 200 MPa basınçta 20 dakika süreyle preslenmiştir. Sıcak preslenmiş blok numuneler 550 C sıcaklıkta 2, 4, 6, 8, 10 saat süreyle difüzyon tavlamasına tabi tutulmuştur. Toz Metalurjisi (TM) yöntemiyle üretilen bu numunelerin metalografik incelemeleri ve elektron mikroskop çalışmaları yapılarak Al-Cu difüzyon süreci araştırılmıştır. İki saatlik tavlama sürecinde önemli miktarda bakır tozunun Al matriste difüzyonla çözündüğü ancak Kirkendall etkisiyle Cu tozlarının yerini boşlukların aldığı belirlenmiştir. Bu durum ise TM parçaların fiziksel özelliklerini olumsuz etkilemiştir. Anahtar Kelimeler: Al-Cu, Toz Metalurjisi, Önkarıştırma, Kirkendall Etkisi. Investigation of Kirkendall Effect and Physical Properties in Premixed and Hot Pressed PM Parts with Al-Cu Alloy ABSTRACT In this study, the alloy consisting of 4,5% Cu and 95.5% Al powder was exposed to premixing in turbula for an hour. Then the mixture was pressed for twenty minutes in 570 C under 200 MPa pressure with hot pressing method. The samples of hot pressed blocks were exposed to diffusion annealing in 550 C for 2, 4, 6, 8, 10 hours. Diffusion process of the samples produced with powder metallurgy method was investigated by metallographic examination and electron microscopic study. It was determined that during the two-hour annealing process, great amount of Cu powder was decomposed with diffusion at Al matrix, but with the effect of Kirkendall, the Cu powder was replaced with gaps. This affected the physical properties of powder metallurgy pieces negatively. Keywords: Al-Cu, Powder Metallurgy, Premixing, Kirkendall Effect. 1. GİRİŞ Toz metalurjisi tekniği ön alaşımlı tozların ve takviye elemanının vakum kontrolü altında karıştırılması ve kaynaklanması gibi karmaşık bir dizi operasyonu gerektirmektedir [1]. Alüminyum alaşımlarına mikro (<0,5) veya makro (% 1-20) arasında değişen miktarlarda Cu, Si, Mg ve Li gibi alaşım elementlerinin ilavesi ile mekanik özellikleri geliştirilebilir[2,3]. Metal tozlarının sıcak preslenmesiyle reaktif sinterleme (HPRS) yoğunlaşma ve malzemenin kimyasal reaksiyonun her ikisinin birden tek adımda gerçekleştiği bir tekniktir. Nispeten düşük sinterleme sıcaklığı, tozların düşük maliyetinden ve yoğunlaşma için herhangi bir takviye elemanına ihtiyaç duyulmamasından dolayısıyla bu teknik ekonomik olabilir[4,5]. Toz Metalürjisi (TM) yöntemi ile üretilen parçaların mekanik özellikleri ile aşınma ve 456

2 6. ULUSLARARASI TOZ METALURJİSİ KONFERANSI ve SERGİSİ Ekim 2011 Orta Doğu Teknik Üniversitesi Ankara, Türkiye korozyon dirençlerini artırmak amacıyla sinterleme sonrası farklı mekanik ve ısıl işlemler uygulanmaktadır [6]. Tane sınırlarının dağılımı/bileşimi ve gözeneklerin dağılımı/büyüklüğü gibi özellikleri mikro yapının performansı üzerinde etkilidir[7]. Konsantrasyon farkı olan ikili bir alaşımda temas eden yüzeylerin difüzyon farkından dolayı bir akış meydana gelir[8]. Kirkendall etkisi, birleşme ara yüzeyinden metal çiftlerine doğru atomik akının farklı olmasından kaynaklanmaktadır [9]. Gökçe ve arkadaşları elementel yöntemle Al Cu Mg tozlarının üretilmesinde mikroyapı özelliklerini incelemişlerdir[10]. Schaffer ve arkadaşları elementel yöntemle üretilen Al Cu Mg Si alaşımlarında azot ve kalayın sıvı faz sinterleme üzerindeki etkilerini araştırmışlardır[11]. Fogagnolo ve arkadaşları mekanik alaşımlama ile üretilen Al-4.5 Cu katı çözeltisinin MA süresi ve sıcaklığa bağlı olarak mikroyapısal değişimleri ve yapıdaki bakırın durumunu incelemişlerdir. Bakırı XRD ve SEM incelemelerinde saptayamamaları nedeniyle çok küçük boyutta ikinci bir faz olarak kalan aluminyum içerisinde dağılmış olabileceğini belirtmişlerdir. Başka bir olasılığa göre ise bakırın yapı içerisinde kısmı olarak çözünmüş olabileceği veya nano boyutta dağılmış ikinci bir fazın parçası olabileceğini belirtmişlerdir[12]. Bu çalışmada, sıcak presleme (SP) yöntemiyle Al-Cu alaşımı TM parça üretilmesi ve üretim sürecinde Cu nun difüzyon mekanizması ile gözenek oluşumu ve fiziksel özelliklere etkisi incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Çalışmada %99 saflıkta 100 µm altı Al tozları ile % 99 saflıkta 44 µm altı Cu tozları kullanılmıştır. % 4.5 Cu-Al karışımı 1 saat süreyle turbulada karıştırılmıştır. Karıştırılan tozlar kalıp içerisine alınarak ön şekillendirilme için 200 MPa soğuk olarak preslenmiş ve devamında 570 C de 200 MPa basınç altında 20 dakika süre ile sıcak olarak preslenmiştir. Bu sayede 60x60 mm kare kesitli yaklaşık 10mm kalınlıklarında blok numuneler üretilmiştir. Sıcak preslenmiş blok numuneler 550 C sıcaklıkta 2, 4, 6, 8, 10 saat süreyle difüzyon tavlaması yapılmıştır. Tavlama öncesi ve sonrası optik ve taramalı elektron mikroskopta (TEM) mikroyapı incelemeleri yapılmıştır. Karışım tozun gerçek parça yoğunluk ölçümleri Sartorius marka 0,1 mg hassasiyetteki terazide yoğunluk kitiyle yapılmıştır. Vickers mikro sertlik ölçümleri 100 g yük 10 sn süre uygulanarak gerçekleştirilmiştir. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1 Difüzyon (Yayınım) ve Alaşımlama 200 MPa basınç altında 20 dakika süre ile sıcak presleme sonrasında üretilen numunelerin mikroyapıları incelendiğinde, bakır tozlarının Al matris içerisinde homojen olarak dağıldığı, gözenek oranının çok düşük olduğu (Şekil 1a) ve Al matris ile Cu parçacıkları arasında düzenli bir arayüzey oluştuğu (Şekil 1b) görülmektedir. Şekil 1. Sıcak presleme sonrasında üretilen numunelerin mikroyapısı. Matris içerisindeki bir Cu parçacığı etrafında oluşan difüzyon gradyanları ve elementsel mikro analizi Şekil 2 de verilmiştir.. Sıcak presleme işlemi sürecinde Al-Cu ikilisinin karşılıklı kütlesel difüzyonu başlamış fakat tamamlanmamıştır. Şekil 2a da 1 nolu hat boyunca XRF/EDS analizi yapıldığında 2b de verilen grafik elde edilmiştir. Herhangi bir dağlayıcı kullanmaksızın dahi Cu parçacığı etrafında açıkca görülen ve farklı Al-Cu atomik yoğunluklarına sahip difüzyon gradyanlarında parçacıktan uzaklaştıkça Cu oranı azalmaktadır. Burada, gradyanların merkezine yaklaşırken Cu miktarının arttığı ve merkezde maksimum olduğu görülmektedir. Tersine, en dıştaki gradyandan başlamak üzere merkeze yaklaştıkça ise Al miktarı azalmıştır. Merkezde bulunan Cu parçacığı ile Al matris arayüzeyinde ise bakırın kütlesel difüzyonu sebebiyle oluşan halka şeklinde boşluk görülmektedir (Şekil 2a da okla gösterilmiştir). Diğer bir boşluk ise, Şekil 2a da gösterilen resmin sol alt köşesinde bulunan Cu taneciğinin merkezindedir. Muhtemel bu noktadaki Cu taneciği çok küçük hacim ve boyutta idi (yaklaşık 6 µm) ve sıcak piresleme sürecindeki kütlesel difüzyonla Cu taneciği büyük oranda Al içine difüzyon gerçekleşmiştir. 457

3 Şekil 2. Sıcak preslenmiş Al-Cu ikilisinde bileşim gradyanları ve XRF analiz sonuçları. Difüsyon gradyanlarının üzerindeki farklı noktalardan alınan XRF/EDS sonuçları Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3. Difüzyon gradyanları üzerinde farklı noktalardan alınan mikro analiz sonuçları. Bu sonuçlar da açıkca göstermektedir ki 1 nolu analiz bölgesinde Cu içine Al difüzyonu yok denecek kadar azdır (%0.57). Ancak 2 nolu bölgede maksimum (%66.2) olmak üzere 3 ve 4 nolu bölgelerde Al içine Cu difüzyonunun giderek azaldığı görülmektedir. Difüzyon mekanizmasında atomlar yüksek konsantrasyonda bulundukları bir bölgeden konsantrasyonlarının daha düşük olduğu bir bölgeye göç ederler[13]. Atomlar yalnızca yüksek sıcaklıkta ara yüzeyin bir kenarından diğer kenarına difüze olabilirler bunun için gerekli olan sıcaklık genellikle ( T m ) dir. T m buradaki ergime sıcaklığını göstermektedir[14]. Al-Cu ikili denge diyagramına göre Alüminyum bölgesinde bakırın çözünürlüğü sıcaklığa bağlı değişmekle birlikte 548 C de maksimum ağırlıkça %5.65 oranındadır[15]. Bu orandan sonra Cu oranının artması Şekil 3 de 4. bölgede gösterildiği gibi Al matris içinde AlCu 2 intermetaliği olan θ fazının oluşumuna, artan Cu oranıyla ile birlikte 2. ve 3. gradyan bölgelerinde ise Al fazı kaybolarak θ+η2 fazlarının oluştuğu söylenebilir. Bütün bunlarla birlikte Cu taneciğinden farklı konstrasyonlarda Al matris içine yayınan Cu atomlarının, Cu içine yayınan Al atomlarından çok daha fazla olduğu ve yayınmanın Cu dan Al matrise doğru olduğu açıkça görülmüştür. Bunun nedeni olarak Cu atomlarının çaplarının (2.556 Å), Al atom çaplarından (2.886 Å) daha küçük olması, ve küçük çaplı atomların yayınım hızlarının büyük atomlardan daha hızlı olması söylenebilir[16]. Bu durum sebebiyle Al içinde Cu ın yayınım bölgesi büyümektedir. Bakır tarafında ise geçiş bölgesinin dar olmasına neden olmaktadır[17]. Bu mekanizmaların meydana getirdiği Al içinde Cu ın hızlı kütlesel yayınımı Şekil 2 de okla gösterilen Cu taneciğinin çevresindeki kütle kaybını ve aynı zamanda sıcak preslenen bu numunelerin 2, 4, 6 ve 10 saatlik difüzyon/sinterleme tavlaması sürecinde Cu ın büyük oranda Al içine kütlesel yayınımı sebebiyle oluşan gözenekleri meydana getirmiştir. Şekil 4 de açıkça görülen ve Cu taneciklerinin neredeyse tamamen yayınımıyla meydana gelen gözeneklerin varlığı Kirkendall etkisiyle açıklanır[18]. Yukarıda bahsedilen yayınım etkileriyle oluşan Kirkendall etkisiyle ve artan difüzyon/sinter tavlaması ile birlikte Cu parçacıklarının boyutlarına yakın (<50µm) boşluklar belirlenmiştir. Şekil 4 de 2 saat difüzyon tavına tabi tutulan numunede bu durum açıkça görülmektedir. Ayrıca, halen tamamen yayınmamış, boşluk içinde kalmış Cu ca zengin kalıntıları ve hiç yayınmamış Cu parçacıkları görülebilmektedir. 458

4 6. ULUSLARARASI TOZ METALURJİSİ KONFERANSI ve SERGİSİ Ekim 2011 Orta Doğu Teknik Üniversitesi Ankara, Türkiye 3.2 Yoğunluk Değişimleri Şekil 4. 2 saat difüzyon/sinter tavlaması sonrasında oluşan boşluklar. Üretilen numunelerin tavlama öncesi ve sonrası ölçülen yoğunluk değerleri Şekil 5 de verilmiştir. Sıcak presleme ile üretilmiş numunelerin yoğunluğu %99 civarındadır. Ancak artan difüzyon/sinter tav süresiyle birlikte numunelerin yoğunluk oranlarında azalma belirlenmiştir. Özellikle 2 saat tavlama sonundaki yoğunluk düşüşü önemli miktardadır. Kirkendall etkisinin özellikle tavlama sürecinde belirginleştiği yukarıda açıklanmıştır. Bu süreçte, Al matris içinde yayınan Cu atomlarının yaklaşık toplam hacin %95 ini oluşturan Al matris hacmini arttıracağı, bununla birlikte % 4.5 oranındaki Cu partiküllerin oluşturduğu boşluklarda ise büzülme olacağı literatürde belirtilmektedir[19-20]. Numunelerin kütlelerinin sabit olmasına rağmen, tavlanmış numunelerde belirgin oranda oluşan Kirkendal etkisinin meydana getirdiği bu hacimsel artışın yoğunluk azalmasına sebep olduğu düşünülmektedir. 3.3 Sertlik Değişimleri Şekil 5. Difüzyon/sinter tav süresine bağlı yoğunluk değişimi. Sıcak presleme sonrasında üretilen numunelerin tavlama öncesinde elde edilen mikrosertlik değerleri Şekil 6 da verilmiştir. Bakır parçacığın merkezinde sertlik maksimum (249 HV) iken difüzyon gradyanları üzerinde merkezden uzaklaştıkça sertlik değeri Al miktarının artması ile azalmaktadır. Şekil 6. SP sonrası mikrosertlik. Şekil 7. Difüzyon/Sinter tavları sonrası sertlik. 459

5 Farklı sürelerde difüzyon tavı uygulanan numunelerin sertlik değişimleri Şekil 7 de verilmiştir. Genel olarak tavlama süresinin artması ile sertlik değerinin arttığı net olarak görülmektedir. Sıcak preslenmiş numunenin sertliği 38 HV iken artan tavlama süresi ile 78 HV sertliğe kadar artış meydana gelmiştir. Özellikle 4 saate kadar tavlama süresindeki artışla artan boşluk/gözenek oranına rağmen Al matris içinde daha düşük konsantrasyon farkı oluşturarak çözünen Cu miktarının artışı genel olarak numunenin sertliğini de arttırdığı söylenebilir. Bu süreden sonraki numune sertliğinin 10-15HV aralığındaki sapma ile sabit kaldığı, bu sapmaya ise tavlama süresiyle artan boşluk oranındaki artışın sebep olduğu düşünülmektedir. 4. SONUÇLAR Al+%4,5 Cu ön karıştırılmış tozların sıcak preslenmesi ve devamında farklı sürelerde tavlanması ile oluşturulan Al-Cu alaşımı tozmetal parçalardaki difüzyon sürecinin ve fiziksel özelliklerin araştırıldığı bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar söylenebilir. 1. Ön karıştırılmış Al-Cu tozlarının 200 MPa basınç altında 570 C sıcaklıkta 20 dakika süre ile preslenmesi sonunda yaklaşık %99 yoğunlukta TM parça üretimi gerçekleştirilmiştir. Ancak bu süre içinde Al-Cu difüzyonunun tam olarak gerçekleşmediği ve Cu parçacığının çevresinde (Al matris içinde) çeşitli yoğunluklarda Cu içeren difüzyon gradyanlarının oluştuğu görülmüştür. Bu gradyanların Cu yoğunluğu bakır tanecikten uzaklaştıkça azalmaktadır. 2. Sıcak presleme sürecinde Cu ın alüminyum matrise kütlesel difüzyonu, Kirkendall etkisiyle Cu taneciğin çevresinde boşluk oluşturmuştur. Devamında, Cu ın Al içinde tamamen yayınmasını sağlamak için yapılan tavlama sürecinde Cu taneciklerinin yerini tamamen boşluklar almıştır. 3. Tavlama işlemiyle artan Kirkendall etkisi, üretilen TM numunelerin yoğunluklarının düşmesine sebep olmuştur. 4. Genel olarak artan difüzyon tavı ile birlikte TM numunelerin sertliği de artmıştır. KAYNAKLAR 1. Bedir, F., Characteristic Properties of Al Cu SiC and Al Cu B4C Composites Produced by Hot Pressing Method Under Nitrogen Atmosphere, Materials and Design, Vol. 28, pp , Hirosawa, S., Sato, T., Kamio, A., Flower, HM., Classification of the role of microalloying elements in phase decomposition of Al based alloys, Acta Mater, Vol. 48, pp , Bishop, DP., Cahoon, JR., Chaturvedi, MC., Kipouros, GJ., Caley, WF., On enhancing the mechanical properties of aluminium P/M alloys, Mater Sci Eng, A290, pp , Veljovic, D., Jokic, B., Petrovic, R., Palcevskis, E., Dindune, A., Mihailescu, I.N., Janackovic, D., Processing of dense nanostructured HAP ceramics by sintering and hot pressing, Ceramics International, Vol. 35, pp , Huang, L.J., Geng, L., Li, A.B., Yang, F.Y., Peng, H.X., In situ TiBw/Ti 6Al 4V composites with novel reinforcement architecture fabricated by reaction hot pressing, Scripta Materialia, Vol. 60, pp , Boylu, K.S., Varol, R., Pek, M.A., Tam Yoğun Ve T/M Çeliklerde Karbon Miktarının Borür Tabakası Kalınlığına Etkisi TMMOB Makina Mühendisleri Odası Konya Şubesi H- Makina.Tasarım ve İmalat Teknolojileri Kongresi Eylül Rong, L., Hongqiang, R., Kai, G., Di, T., Research on Preparation of Zr( OH)JB4 C Composite Powder by Different Processes, Journal of Rare Earths Vo1. 25, p.340, Shewmon, P.G., Diffusion in Solids, Mc Grow Hill Book Company, Adda, Y., Philibert, J., La diffusion dans les solides. Bibliothèque des Sciences et Techniques Nucléaires, Presses Universitaire de France, Paris, pp , Gökçe, A., Fındık, F., Kurt, A.O., Microstructural examination and properties of premixed Al Cu Mg powder metallurgy alloy, Materials Characterization, Vol. 62, pp , Schaffer, G.B., Yao, J.Y., Bonner, S.J., Crossin, E., Pas, S.J., Hill, A.J., The effect of tin and nitrogen on liquid phase sintering of Al Cu Mg Si alloys, Acta Materialia, Vol. 56, pp , Fogagnolo, J.B., Amador, D., Ruiz-Navas, E.M., Torralba, J.M., Solid solution in Al 4.5 wt% Cu produced by mechanical alloying, Materials Science and Engineering, A 433, pp , Oğuz, B., Demir Dışı Metaller Kaynağı, Oerlikon Yayını, İstanbul, Chen, S., Ke, F., Zhou, M., Bai, Y., Atomistic investigation of the effects of temperature and surface roughness on diffusion bonding between Cu and Al Acta Materialia, Vol. 55, pp , Willamson, J.R., Superplastic Forming Diffusion Bonding of Titanium, Proc. The Ist. Int. Cant. Materials in Areospace. 2.Konf. No , pp , Richmond, O., Morrison, H.L., Devenpeck, M.L.,. Sphere indentation with application to the Brinell hardness test, Int. J. Mech. Sci, Vol. 16, pp , Callistar, W.D., Materials Science and Engineering an İntroduction Diffusion Mechanism, 5th Edition, The Universty of Utah Johnwilley, , Strandlund, H., Larsson, H., Prediction of Kirkendall shift and porosity in binary and ternary diffusion couples, Acta Materialia, Vol. 52, pp , Srinivasan, D., Subramanian, P.R., Kirkendall porosity during thermal treatment of Mo Cu nanomultilayers, Materials Science and Engineering, Vol. 459, pp , Hermans, M.J.M., Biglari, M.H., Void formation by Kirkendall effect in solder joints, Netherlands, December