Yönlendirilerek Dökülmüş Al-Si Alaşımlarında Tane İncelticilerin Porozite Oluşumu Üzerindeki Rolü

Transkript

1 2016 Pulished in 4th Interntionl Symposium on Innovtive Technologies in Engineering nd Science 3-5 Novemer 2016 (ISITES2016 Alny/Antly - Turkey) Yönlendirilerek Dökülmüş Al-Si Alşımlrınd Tne İncelticilerin Porozite Oluşumu Üzerindeki Rolü 1 Muhmmet Uludğ 1 Mühendislik Fkültesi, Metlurji ve Mlzeme Müh., Selçuk Üniversitesi, Türkiye, uludg@selcuk.edu.tr Özet Aluminyum lşımlrınd, mikroypı özelliklerini modifiye edici lşım elementlerinin ilvesiyle meknik özellikler geliştirilerileilir. Tne inceltme porositeyi zltn metodlrdn irisidir. Titnyum genellikle AlTi5B1 mster lşımı formund tercih edilir. Titnyumun dezvntjı ise sedimentsyond dolyı oluşn toplnmdır. Ayrıc, lterntif olrk titnyum içermeyen Al-B tne incelticileri de kullnılmktdır. Bu çlışmd, A356, A380.1 ve A413 lşımlrı ve porosite dğılımını incelemek mcıyl yönlendirerek ktılştırm prtı çlışılmıştır. AlTi5B1 ve Al3B tne incelticileri kullnılmıştır. Döküm prçsının yty kesitlerinden elde edilen numuneler nliz edilmiştir. Porozite oyutu, por syısı ve ortlm por uzunluğu isttistiksel olrk ölçülmüştür. Her üç lşımd d Al3B ilve edildiği durumlrd porozitenin zldığı ulunmuştur. Anhtr kelimeler: Al-Si lloys, Yönlendirilerek ktılştırm, Döküm, Tne inceltme, Porozite Astrct Mechnicl properties of luminum lloys cn e improved y lloying element ddition where the microstructure is modified to enhnce properties. Grin refinement is one of the methods to decrese porosity. Titnium is generlly preferred in the form of AlTi5B1 mster lloy. Disdvntge of Ti grin refinement is the fding effect due to sedimenttion. Alterntively, Ti-free Al-B grin refiners re lso used. In this work, A356, A380 nd A413 lloys were used nd directionl solidifiction pprtus ws estlished in order to investigte porosity distriution. AlTi5B1 nd Al3B grin refiners were used. Smpling ws mde long the cst prt nd horizontl sections were nlyzed. Pore size, numer of pores nd verge pore length were sttisticlly mesured. It ws found tht porosity ws decresed in ll three Al-Si lloys when Al3B grin refiners were used. Key words: Al-Si lloys, Directionl solidifiction, Csting, Grin refinement, Porosity 1. Giriş Alüminyum lşımlrı döküleilirlik, mukvemet ve korozyon direnci gii özelliklerden dolyı otomotiv endüstrisi trfındn tercih edilmektedirler. Bu özellikler ısı ve kütle şrtlrı ltınd oluşn mikroypıdn etkilenir. Ayrıc, ktı/sıvı ryüzey üyümesi de ynız zmnd mikroypıyı etkiler [1, 2]. Mikroypı modifiksyonu tne ypısını değiştirmekten ziyde poroziteyi zltmk mcıyl ypılmktdır [3, 4]. Poroziteyi zltmy yrımcı oln ve mikroypıyı değiştiren yöntemlerden irisi de yönlendirerek ktılştırmdır. Tne inceltme ise poroziteyi zltn sürecin ir prçsıdır [5, 6]. *Corresponding uthor: Address: Mühendislik Fkültesi, Metlurji ve Mlzeme Müh., Selçuk Üniversitesi, TÜRKİYE, E-mil dres: uludg@selcuk.edu.tr, Phone:

2 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1716 Tne inceltici oln mster lşımlrı dh ince tneler elde etmek mcıyl ir sıvı metle ilve edilirler. Tne incelticiler tneleri inceltip syısını rtırıken ynı zmnd tne sınırlrı d rtmktdır. Artn tne sınırı meknik özelliklerde ir rtış ve empürüte seviyesinde de zlış seep olmktdır [5]. Al-Ti-B mster lşımının, ötektik silisyum morfolojisinde herhngi ir değişiklik ypmdn k -Al ypısını ince denritik morfolojiye dönüştürmek suretiyle mikroypı değiştirmek mcıyl lşımlr ilve edildiği ilinmektedir [6]. Titnyum tne incelticilerine lterntive olrk titnyum içermeyen Al3B mster lşımlrı d yrıc tne inceltme mcı ile kullnılmktdır. Bu mster lşımlrı B, AlB2, ve AlB12 psrtikülleri içermektedir. AlB12 sıvı içerisindeki B miktrın ğlı olrk krrsıc dvrilmekte ve Al ile peritektik reskiyon girerek AlB2 formun dönüşmektedir [7, 8]. Bu çlışmd, frklı ktılşm morfolojilerine ship üç lşım titnyum içeren AlTi5B1 ve titnyum içermeyen Al3B mster lşımlrı olmk üzere iki frklı tne inceltici ilve edilerek yönlenmiş ktılşm dökümleri çlışılmıştır. A356, A413 ve A380.1 lşımlrınd tne inceltme işlemi ve/vey tne incelticiler ile porozite oluşmu rsınd ir ilişki olup olmdığı rştırılmıştır. 2. Deneysel çlışmlr Çlışmd kullnıln A356, A413 ve A380.1 lşımlrının kimysl kompozisyonlrı Tlo 1 de verilmiştir. A356 ve A413 lşımlrı irincil olrk ETIAL (Kony, Türkiye) firmsındn sğlnmıştır. A380.1 lşımı ise ikincil olrk lınmış ve deneylerde kullnılmıştır. Yönlendirerek ktılştırm klıınd, ktılştırmyı yönlendirmek mcıyl klıın lt kısmınd ulunn kır plklr içinden sürekli od sıcklığınd su geçirilmiştir. Klıp, silindirik çelik mlzemeden üretilmiş ve ynı zmnd 30 mm çpınd ve 300 mm uzunluğund döküm prçsı elde edecek şekilde tsrlnmıştır. Bu çlışmd kullnıln klıp resmi Şekil 1 de sunulmuştur. Tlo 1. Çlışmd kullnıln lşımlrın ğırlıkç kimysl komposizyonlrı Alşımlr Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al A356 6,80 0,19 0,003 0,001 0,30 0,011 0,108 Kln. A413 11,77 0,19 0,006 0,001 0,005 0,016 0,006 Kln. A Kln. Şekil 1. Deneysel çlışmlrd kullnıln yönlendirerek ktılştırm prtı

3 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1717 A356 ve A380.1 lşımlrın it dökümler C gii ir döküm sıcklığınd gerçekleştirilirken A413 lşımın it dökümler de C döküm sıcklığınd gerçekleştirilmiştir. AlTi5B ve Al3B tne incelticilerin ilve edilmesinden sonr 5 dkik eklenilmiş ve sonr dökümlere geçilmiştir. Elde edilen döküm prçlrı 30 mm çp ve 60 mm yüksekliğe ship ölçülerde 5 eşit prçy kesilmiştir. Her prçnın üst kısmınd 10 mm yüksekliğinde küçük prçlr elde dilmiştir. Elde edilen u numunelerin şemtik gösterimi Şekil 2 de verilmiştir. döküm prçlrının en üst kısmınd meydn gelen dış çekmeler hcimsel olrk hesplnmıştır. Şekil 2. İnceleme için döküm prçsınd numune eldesinin şemtik gösterimi Şekil 2 de verilen şemtik gösterimdeki 1 nolu numune, yönlendirilerek ktılştırm oyunc porozite oluşumunu incelemek için kullnılmıştır. 5 eş prçy ölünen döküm prçsının yukrıdn ikinci prçsın it 10 mm yüksekliğindeki prçlr inceleme için seçilmiştir. İlk olrk, u numuneler üzerinde görsel inceleme ypılmış ve rdındn u yüzeyler trnrk ilgisyr ortmın tılmıştır. Bu görüntüler üzerinde de SigmScn görüntü nliz progrmı yrdımıyl porozite ölçüm işlemleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen porozite sonuçlrı isttistiksel olrk incelenmiştir. 3. Bulgulr ve Trtışm Bu çlışmd kullnıln üç frklı lşım frklı ktılşm morfolojilerine shiptir. A356 lşımının dendritik ve Si ötektiği morfolojisine, A413 lşımının sdece ötektil morfolojiye ve A380.1 lşımının d denritik, Si ötektiği ve Cu ötektiği morfolojilerine ship olduğu ilinmektedir. Bu lşımlrın microypılrı rsındki frklr tüm döküm özelliklerini etkilemektedir. Bir dökümdeki porozite miktrı döküm klitesi için çok önemli ir prmetredir. Hfif lşımlrl üretim ypn firmlrın ve u lnd çlışn ilim dmlrının porozite oluşumunun gerçek meknizmsını ilmeye ihtiyçlrı vrdır. Mevcut çlışmd, u meknizmyı nlmk mcı ile üç frklı lşımının yönlendirerek dökümleri gereçkeştirilmiştir. Tne inceltme işleminin porozite oluşumun etkisini incelemek için de AlTi5B1 ve Al3B mster lşımlrı ilve edilmiştir. Her üç lşı it numunler görsel incelenmiş ve u incelemere it görüntüler de Şekil 3 de sunulmuştur. Resimlerden de görüleildiği gii, porozite oluşumu çısındn lşımlrd çok ciddi frklılıklr mevcuttur. Bu mkro görüntüler frklı dökümlerin ynı ölgelerinden elde edilmiştir. AlTi5B1 ve Al3B mster lşımlrının porozite oluşumu ve dğılımı üzerinde tmmıyl frklı etkilere ship olduğu çıkc görülmektedir. Bu etkiler, A356 ve A380.1 lşımlr it görüntülere çok net ir

4 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1718 şekilde görüleilmektedir. A413 lşımının ötektik morfolojiye ship olduğu ve tek ir sıcklıkt ktılştığı göz önüne lındığınd, u lşımd tne inceltme işleminin porozite oluşumu üzerinde etkisinin görülmemesi normldir. Fkt, ötektik ktılşmnın poroziteleri ktılşm yönünde iterek porozit eoluşumunu etkilediği ilinmektedir. Bu yüzden, u lşım it sonuçlrd porozitlerin eslemenin ve ktılşmnın en son olduğu ölgelerde tek ir nokt yd ölgede yoğunlştığını görmek mümkün olmktdır. Diğer trftn, ktılşm rlığının porozite oluşumu özellikle dğılımı için frklı ir seep olduğunu d söylemek gerekmektedir. Alşımlr A356 A413 A380.1 AlTi5B1 İlveler Al3B Şekil 3. Yönlendirerek ktılştırıln dökümlerde oluşn porozitlere it mkro görüntüler Görüntü nlizlerinden elde edilen dtlr, lşımlrd ve ilvelerde porozite oluşmlrını görmek mcı ile incelenmiştir. Bu seeple, ütün sonuçlr için elde edilen grfikler iki frklı şekilde sunulmuştur. Porozitelerin toplm uzunluğundki değişimlere it sonuçlr Şekil 4 de ve toplm lnlrdki değişimlere it sonuçlr d Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 4 ve 5 irlikte incelendiğinde, toplm uzunluk ve toplm ln değişimleri porozite oluşumlrındki değişimler çısınd hemen hemen ynı eğilimi gösterdiği nlşılmktdır. A413 ötektik lşımını her iki grfikte de en düşük sonuçlr it grfik lşım olrk krşımız çıkmktdır. Diğer trftn, tne incelticilerin etkisi de çıkc görüleilmektedir. Al3B tne incelticisi porozite miktrını AlTi5B1 tne inceltisinden dh fzl etkilemektedir. Bu ulgu, ktılşm morfolojilerinden dolyı A356 ve A380.1 lşımlrın it sonuçlrd çık ir şekilde görüleilmektedir. Tne inceltme işlemi ktılşm sırsınd dendritik üyüme üzerinde etkilidir. Tne incelticilerin frklı lşımlrd denritik üyüme üzerinde frklı etki gösterdiği düşünüldüğünde, porozite oluşumunun d tne incelticiler trfındn frklı ir şekilde etkileneceği söyleneilir. Diğer trftn, tne incelticler por çplrı üzerinde önemli ir role shiptir (Şekil 6). Şekil 6 d sıvıy ilve edilen Al3B tne incelticilerin porlrın üyümesi üzerinde AlTi5B1 tne incelticisinden dh üyük ir etkisinin olduğu görülmektedir. Her lşımın kendine it spesifik porezite üyümelerini sergilediği söyleneilmektedir. Tüm lşımlrın frklı tne inceltmesine ğlı olrk frklı çplrd porozitelere ship olduğu görüleilmektedir. En üyük porozite çpı A380.1 lşımın it sonuçlrd görülmüştür. Alşımlr it ortlm porozite çplrının (đ) üyükten küçüğe şu şekilde

5 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1719 sırlyiliriz; đ A380.1 > đ A413 > đ A356 A413 lşımın it ortlm por çplrının tne inceltme işlemlerinden önmeli ölçüde etkilenmediğini elirtmekte yrr olcktır. Şekil 4. Porozitelerin toplm lnlrı ile deney prmetreleri rsınki ilişki Şekil 5. Porozitelerin toplm uzunlrı ile deney prmetreleri rsınki ilişki

6 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1720 Şekil 6. Ortlm porozite lnlrı ile deney prmetreleri rsınki ilişki Porozite oluşumunun nsıl değiştiğini görmek mcı ile porozitelerin syı yoğunluğu (N), toplm porozite uzunluğu (Nđ), toplm porozite lnı (Nπđ2/4) ve toplm porozite hcmi (Nπđ3/6) değerleri isttistiksel olrk hesplnmıştır. Bu hesplmlrdn elde edilen sonuçlr sırsıyl Şekil 7, 8, 9 ve 10 d verilmiştir. porozitelerin tüm isttistiksel nliz sonuçlrı hemen hemen enzerdir. Al3B tne incelticisinin porozite miktrını zltıcı yönde porozite oluşumu üzerindeki etkisi çıkc görülmektedir. Şekil 7. Porozitelerin syı yoğunlu ile deney prmetreleri rsındki ilişki

7 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1721 Şekil 8. Porozitelerin toplm uzunluğu ile deney prmetreleri rsındki ilişki Şekil 9. Porozitelerin toplm lnı ile deney prmetreleri rsındki değişim. Şekil 10. Porozitelerin toplm hcmi ile deney prmetreleri rsındki ilişki Diğer trftn isttistiksel inceleme sonuçlrınd Al3B tne inceltisinde lşımlr üzerinde herhngi ir değişiklik göstermediği söyleneilir. Anck, AlTi5B1 isttistiksel inceleme

8 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1722 sonuçlrınd A356 ve A380.1 lşımlrı için frklı sonuçlr krşımız çıkmıştır. Bu sonuçlr, AlTi5B1 mster lşımının porozite oluşumu üzerinde Al3B kdr isttkrlı ir etkis olmdığını göstermektedir. Dökümlerin en son ktılşn ölgeleri oln en üst kısımlrdn dış çekme incelemeleri ypılmış ve hcimsel olrk ölçülmüştür. Alşımlr ve ilve prmetrelerine it dış çekme sonuçlrını Şekil 11 de verilmiştir. AlTi5B1 ve Al3B tne incelticili dökümlerin dış çekme sonuçlrınd önemli frklr olduğu söyleneilir. Al3B tne incelticili dökümlere it dış çekmeler AlTi5B1 tne incelticili dökümlerden fzl olduğu görülmektedir. Dış çekme miktrlrının lşımlr göre sırlnmsı poroziteler için ypıln sırlm ile uyumludur. Fkt, dış çekme sonuçlrı ile porozite sonuçlrı rsınd ters ir ilişki mevcuttur. Dış çekme (ES) sonuçlrı şu şekilde sırlnilir. ESA356 > ESA413 > ESA380.1 Dış çekme sırlmsı ile ortlm porozite çplrın it sırlmlr irlikte incelendiğinde u iki sonuç rsınd ters orntı olduğu görülmektedir. Bunun d nlmı, dış çekme ne kdr rtrs ortlm por çpı o derece zlır. Şekil 11. Döküm prçlrınd meydn gelen dış çekmeler ile deney prmetreleri rsı ilişki Porozite çplrının dğılımı lognorml dğılım ile incelenmiştir. Her üç lşım ve iki ilve prmetresine it sonuçlr Şekil 12 de sunulmuştur. A356 ve A380.1 lşımlrının çp dğılım sonuçlrı ilve prmetrelerine göre ilginç ir değişim göstermiştir. AlTi5B1 ilveli dökümlere it çp dğılımlrı sit ve istikrrlı iken Al3B ilveli dökümlere it çp dğılımlrı d çok değişkenlik göstermektedir. Al3B tne incelticisi AlTi5B1 tne incelticisinden dh üyük porozite oluşturilir. Bu sonuç sdece ktılşm morfolojisi ile çıklnilimektedir. AlTi5B1 ilveli dökümlerde dendirtik morfoloji ince, kolonsl ve uzun şekillenirken, Al3B ilve dökümlerde eş eksenli ve kıs şekilli olrk krşımız çıkmktdır. Poroziteler AlTi5B1 tne inceltisi etkisi ile küçük oyutlrd ve çok syıd oluşilir. Al3B tne incelticisi için ise unun tm tersi söyleneilmektedir.

9 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1723 Şekil 12. Porozite çplrının lognorml dğılımlrı Sonuçlr Al3B tne incelticisi özellikle oyut, syı ve dğılım şt olmk üzere porozite oluşumunu olumlu yönde AlTi5B1 tne inceltisinden dh fzl etkilemektedir. Bunun d seei olrk; A356 ve A380.1 lşımlrınd meydn getirdiği mikroypısl değişiklikler gösterileilir. Fkt, A413 lşımınd ötektik ktılşm morfolojisine ship olmsındn dolyı herhngi etkis görülmemektedir. Dış çekme ile porozitelerin oyut ve syılrı rsınd çok güçlü ir ilişki ulunmktdır. Dış çekme rttıkç porozite oyut ve syısı zlmktdır. Döküm özellikler u ilişki kullnılrk geliştirileilir. AlTi5B1 tne incelticili dökümler de oluşn porozite dğılımlrı Al3B tne incelticili dökümlerde oluşn porozite dğılımlrın göre sit ve istikrrlıdır. Refernslr [1] Dold, P. nd K.W. Benz, Rotting mgnetic fields: Fluid flow nd crystl growth pplictions. Progress in Crystl Growth nd Chrcteriztion of Mterils, (1): p [2] Zimmermnn, G., L. Sturz, M. Wlterfng, nd J. Dgner, Effect of melt flow on dendritic growth in AlSi7-sed lloys during directionl solidifiction. Interntionl Journl of Cst Metls Reserch, (1-4): p

10 M. ULUDAĞ / ISITES2016 Alny/Antly - Turkey 1724 [3] Emdi, D., J.E. Gruzleski, nd J.M. Toguri, The effect of n nd Sr modifiction on surfce tension nd volumetric shrinkge of A356 lloy nd their influence on porosity formtion. Metllurgicl Trnsctions B, (6): p [4] Smuel, A., A. Pennors, C. Villeneuve, F. Smuel, H. Doty, nd S. Vltierr, Effect of cooling rte nd Sr-modifiction on porosity nd Fe-intermetllics formtion in Al-6.5% Si-3.5% Cu-Fe lloys. Interntionl Journl of Cst Metls Reserch, (4): p [5] Cmpell, J., Cstings : [the new metllurgy of cst metls]. 2003, Butterworth Heinemnn. [6] Kori, S.A., B.S. Murty, nd M. Chkrorty, Development of n efficient grin refiner for Al 7Si lloy nd its modifiction with strontium. Mterils Science nd Engineering: A, (1 2): p [7] SIGWORTH, G. nd G. MM, Grin refinement of hypoeutectic Al-Si lloy [J]. AFS Trnsction, : p [8] WANG, X., The formtion of AlB2 in n Al-B mster lloy [J]. Journl of Alloys nd Compounds, : p