Al-Mg-Si ALAŞIMLARININ BOYA SONRASI MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 Al-Mg-Si ALAŞIMLARININ BOYA SONRASI MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Emre YİĞİTOĞLU*, Tanya A. BAŞER**, Mesut KAYA*, Metin ÇALLI*, Adem KARŞI*, Emre DORUK**, İsmail DURGUN** *COŞKUNÖZ Metal Form A.Ş. Organize Sanayi Bölgesi Mavi Cadde No: BURSA **TOFAŞ Türk Otomobil Fabrikası A.Ş. Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 BURSA ÖZET Artan ekolojik kaygılar, yakıt tasarrufunun önemini vurgulamaktadır. Yakıt tasarrufu için otomobil temel bileşenlerinin ağırlığının azaltılması yoluna gidilmektedir. Tasarım değişikliklerinin yanı sıra hafifletmeyi sağlayabilecek yöntem olarak parça imalatında alternatif düşük yoğunluklu malzeme kullanma öne çıkmaktadır. Isıl işlem uygulanabilen Al- Mg-Si alaşımları sahip oldukları düşük yoğunluk ve yüksek korozyon direnci özellikleri sayesinde otomotiv endüstrisinde geniş kapsamlı olarak kullanılmaktadır. Al-Mg-Si alaşımlarının iyi şekillenebilme yeteneğine ve yüksek dayanıma sahip olmaları için uygulamada, şekillendirme ve boya pişirimi işlemleri çözeltiye alma tavından kısa süre sonra yapılmalıdır. Ancak endüstriyel uygulamada bunu gerçekleştirmek oldukça güçtür. Al-Mg-Si alaşımların doğal yaşlanmaya uğraması kaçınılmazdır. Bu çalışmada, otomotivde parçası olarak kullanılan T4 kondisyonundaki 6016 alüminyum levhanın boya pişirimi öncesi ve sonrası mekanik özellikleri incelenmiştir. T4 kondisyonunda Al alaşımlı levhalar pres altında şekillendirilerek boya pişirim çevrimine tabi tutulmuşlardır. Boya pişirimi sonrası 6016 alaşımlı parçada gerçekleşen boya pişirim sertleşmesi incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Al-Mg-Si alaşımları, boya proses çevrimi, doğal yaşlanma. ABSTRACT Increasing environmental concerns emphasize the importance of fuel economy. Car manufacturers focus on weight reduction of car components for fuel savings. Alternative low density materials stand out as the manufacturing method to reduce car weight as well as the design changes. The Al-Mg-Si alloy which heat treatment can be applied, is used extensively in the automotive industry due to their low density and high corrosion resistance. In practice, forming and paint baking must be performed shortly after solution treatment to improve formability and strength properties of Al-Mg-Si alloys. However, it is very difficult to achieve this in the industrial applications. The natural aging of Al-Mg-Si alloys is an inevitable situation. In this study, mechanical properties of the aluminum 6016 T4 sheet which is used in the automotive industry is examined before and after paint baking. Al alloy sheets in T4 condition are subjected to bake hardening cycles by forming under press. Bake hardening of Al sheets are investigated after paint baking. Keywords: Al-Mg-Si alloys, paint processing cycle, natural aging.

2 1. GİRİŞ Otomotiv endüstrisinde araçların yakıt tüketimini düşürmek için mevcut kullanılan malzemelere göre (daha düşük ağırlıkta olacak şekilde) yoğunluğu daha düşük olan ya da daha ince ve yüksek mukavemetli malzemelerin seçilmesi gerekmektedir. Otomotiv üreticilerinin bu yöndeki çalışmaları doğrultusunda malzeme üreticileri de o alana doğru yönlenmektedir. Son yıllarda yapılan çalışmalar sonucunda alüminyum malzemelerin mukavemet değerleri arttırılarak çelik malzemelerle yarışabilir duruma gelmiştir. Ayrıca çeliklerin üçte biri yoğunluğunda olduğu için hafifletmede rol oynayan çok etkili malzemelerdir. Şekillendirilebilirlik, sacın şekillendirilmesi sırasında yırtılma, bölgesel boyunlaşma ve buruşma gibi hasara uğramadan istenilen şekli alma kabiliyetidir [1]. Alüminyum formlama operasyonları değerlendirildiğinde, şekillendirilmesi en kolay metaller arasındadır. Alüminyum ve alaşımları çeşitli plastik şekil verme ve talaşlı imalat tekniklerine son derece uygundur. Ekstrüzyonla çok karmaşık şekilli profiller, haddeleme ile çok ince levhalar üretilebilmektedir. Alüminyum levhalar derin çekilebilir, kesilebilir, delinebilir, dövme tekniği ile şekillendirilebilir. Kaynak, lehim, yapıştırma, perçinleme gibi yaygın tekniklerin tümü ile birleştirilebilir. Alüminyum alaşımları yük altında eğilirken yük boşaltıldığında eski şekillerini almaktadır. Esnek bir mukavemete ve şekil tutma kabiliyetine sahiptirler. Enerji absorblama kapasitelerinin plastik malzemeler ve çelikten daha yüksek olması, yanmaz ve kıvılcım çıkarmazlık özellikleri otomobillerde güvenlik donanımları için büyük avantaj sağlamaktadır [2]. Alüminyum alaşımlarının otomotiv uygulamalarında tercih edilmesinin en önemi nedeni hafiflik olmakla birlikte alüminyumun göz ardı edilemeyecek diğer artıları da bulunmaktadır [2]. Taşıtlarda alüminyum kullanıldığında motor kapasitesini arttırmadan daha iyi performans, mükemmel yol tutuş ve sürüş sağlanırken, titreşim ve gürültüler de en aza indirilmektedir. Uygun alaşım ve üretim tekniği seçimi ve tasarımlarla alüminyum-yoğun taşıtların dayanıklılık ve çarpışma-güvenlik performansı çelikten üretilenlere kıyasla çoğu kez üstündür. Tüm bunlara ilave olarak, alüminyumun yüzeyinde oluşan doğal oksit tabakası nedeniyle sağlanan eşsiz korozyon direnci, estetik yönden olduğu kadar güvenlik yönünden de çok önemli bir avantaj sağlamaktadır. Isıl işlem uygulanabilen Al-Mg-Si alaşımları sahip oldukları hafiflik, yüksek korozyon direnci, yüksek dayanım ve iyi şekillenebilirlik özellikleri sayesinde otomotiv endüstrisinde geniş kapsamlı olarak kullanılmaktadır [3]. Al-Mg-Si alaşım grubunda doğal yaşlanma süresinin çökelti sertleşmesine etkisi son derecede önemlidir. Karmaşık çökelme davranışını karakterize etmek ve anlayabilmek için birçok çalışmalar yapılmaktadır [4]. Boya pişirimi sırasında taşıttaki alüminyum alaşımlı parçalar 180 C civarı sıcaklıklarda yapay yaşlanmaya uğramakta ve boya sertleşmesi (boya pişirim cevabı) gerçekleşmektedir [5-7]. Boya sertleşmesi genelde istenilen bir durum olmakla birlikte bazı durumlarda problemler yaratmaktadır. İstenilen hedef dayanımlarda montajı gerçekleşmiş alüminyum alaşımlı bir parçanın boyada dayanım artışı istenmemektedir. Özellikle güven unsuru olan enerji sönümleyici parçalarda boya sonrası dayanım artışı alüminyum parçanın işlevselliğini kaybetmesine neden olmaktadır. Bu gibi durumlarda araç performans testlerinde Al alaşımlı parçaların doğrulanması mümkün olmamaktadır. Bu nedenle, otomotiv üreticileri Al alaşımlı parçanın uğradığı süreçleri doğal yaşlanma etkisini de değerlendirerek çok iyi takip etmeli, boya sertleşmesini de hesaba katarak montaj öncesi parçanın mekanik özelliklerini çok iyi belirlemelidirler.

3 Bu çalışmada, otomotivde dış panel uygulamalarında kullanılan T4 kondisyonundaki 6016 alüminyum levhanın boya pişirimi öncesi ve sonrası mekanik özellikleri incelenmiştir. T4 kondisyonunda Al alaşımlı levhalar pres altında şekillendirilerek boya pişirim çevrimine tabi tutulmuşlardır. Boya pişirimi sonrası 6016 alaşımlı parçada gerçekleşen boya pişirim sertleşmesi incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada AA6XXX serisi alüminyum alaşımlarından 6016 alaşımı kullanılmıştır alaşımlı levhalar 0,9mm kalınlığında olup kimyasal bileşimi Tablo 1 de gösterilmiştir. Tablo 1. Bu çalışmada kullanılan 6016 levhaların kimyasal bileşimi (% ağırlıkça). Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 1,03 0,17 0,08 0,08 0,32 0,01 0, levhalara 2010 model ısıl işlem fırınında boya pişirim çevrim sıcaklık ve süresi 180 C- 30 dk olarak uygulanmıştır. Bu sıcaklık ve süre, otomotiv endüstrisinde kullanılan standart boya pişirim ısıl işlemini temsil etmektedir. Çalışma kapsamında kullanılacak 6016 levhanın alındığı gibi durumda ve boya pişirim ısıl işlemi sonrası mekanik özelliklerinin tespiti için çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çekme testleri ZWICK 150 model çekme testi cihazında 250 mm ölçüm boyundaki numune üzerinden 20mm/dak çene hızında uygulanmıştır. Çekme testi 3 kez tekrarlanarak ortalama mekanik özellik değerleri hesaplanmıştır. ZWICK test cihazının yan ekipmanları yardımıyla çekme testi numuneleri mevcut plakalardan çıkarılmış ve hadde yönü doğrultusunda numuneler hazırlanmıştır (Şekil 1). Şekil 2 deki düzenek yardımıyla testler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar raporlanmıştır. Şekil 1. Çekme testi numuneleri.

4 Şekil 2. Çekme testi cihazı görseli. 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Literatürde boya pişirim öncesi doğal yaşlanma süresinin artmasıyla 6000 serisi alaşımların dayanımda düşüş gözlendiği birçok çalışma yer almaktadır [3-9]. AA6000 serisi alaşımların oda sıcaklığında bekleme süresine bağlı olarak mekanik özelliklerindeki değişim çökelme sertleşmesi ile açıklanmaktadır. Literatürde AA6000 alaşımlarındaki çökelme sırası aşağıdaki gibidir [7]; Aşırı doymuş çözelti GPI kümeleri GPII kümeleri / yarı kararlı (Mg 2 Si) fazı yarı kararlı (Mg 2 Si) fazı kararlı (Mg 2 Si) fazı Aşırı doymuş çözelti, çözeltiye alma tavından hemen sonra elde edilmektedir. Çözeltiye alma tavından sonra Mg ve Si kümeleri oluşmaktadır. Mg ve Si kümeleri oda sıcaklığında doğal yaşlanma süresinin sonucu olarak GPI kümelerine dönüşmektedir [9]. Bu nedenle T4 kondisyonunda dayanım değerleri oda sıcaklığında çökelen GPI kümelerinin oluşumu ile artmaktadır. Sonuç olarak, AA6000 serisi alaşımlarda çözeltiye alma tavı sonrası oda sıcaklığında bekleme sürelerinin artması şekillenebilmeyi olumsuz olarak etkilemektedir T4 doğal yaşlanma kinematiğini tamamlamış (oda sıcaklığında bekleme süresi > 3 ay) levhanın alındığı gibi haliyle hidrolik pres altında şekillendirme çalışmaları gerçekleşmiş olup kırılma ya da yırtılmalar gözlenmemiştir (Şekil 3). Şekillendirme çalışmaları başarı ile tamamlandığı için çözeltiye alma tavının uygulanmasına gerek kalmamıştır.

5 Şekil 3. AA6016 T4 alaşımı ile şekillendirilmiş parça görseli. 180 C-30 dk yapılan boya pişirimi sonrası doğal yaşlanma süresinin artışı ile dayanım değerleri azalmaktadır. Bunun nedeni; doğal yaşlanma sırasında oda sıcaklığında oluşan GPI kümelerinin boya pişirimi sırasında çözünememesi olarak açıklanmaktadır [3-5]. Oluşan GPI kümeleri boya pişirim tavı sıcaklığında çözünerek tekrar çözeltiye geçemedikleri için dayanım artışına katkıda bulunamamaktadır. Bu durum boya pişirimini olumsuz yönde etkileyerek AA6000 serisi alaşımlarda boya pişirimi sonrası yumuşamasına neden olmaktadır. Bu nedenle boya çevrimi öncesi doğal yaşlanma süreleri alüminyum parça hedef dayanımları açısından kritik bir önem taşımaktadır alaşımlı çekme testi numuneleri 180 C-30 dk yapay yaşlandırmaya tabi tutulmuştur. Buradaki amaç boya çevrimi sonrası elde edilen dayanım artışını belirlemektir numuneler üzerinde alındığı gibi ve 180 C-30 dk boya pişirimi sonrası çekme testleri gerçekleştirilmiş olup sonuçların karşılaştırılması Tablo 2 de gösterilmektedir. Tablo 2. T4 ve T8X kondisyonlarındaki 6016 alaşımlı levhanın çekme testleri sonrası mekanik özelliklerinin karşılaştırılması. Akma Dayanımı (σ A ) [MPa] Çekme Dayanımı (σ Ç ) [MPa] Uzama (Ɛ) [%] Alındığı gibi (T4) C-30 dk sonrası (T8X) Boya pişirim cevabı* 19 *Boya pişirim cevabı= σ A,T8X - σ A, T4 Tablo 2 de gösterilen boya pişirim çevrimi sonrası akma dayanım değerlerindeki 19 MPa değerindeki artış genelde istenilen bir durum olmakla birlikte bazı durumlarda problemler yaratmaktadır. İstenilen hedef dayanımlarda montajı gerçekleşmiş alüminyum alaşımlı bir parçanın boyada dayanım artışı istenmemektedir. Boya sonrası alüminyum alaşımlı parçada sağlanan dayanım artışı parçadan beklenen hedef dayanım değerlerinin kaybolmasına neden olur. Özellikle güven unsuru olan enerji sönümleyici parçalarda boya sonrası dayanım artışı alüminyum parçanın işlevselliğini kaybetmesine neden olmaktadır. Bu gibi durumlarda araç performans testlerinde Al alaşımlı parçaların doğrulanması mümkün olmamaktadır. Bu nedenle, otomotiv üreticileri Al alaşımlı parçanın uğradığı süreçleri doğal yaşlanma etkisini

6 de değerlendirerek çok iyi takip etmeli, boya sertleşmesini de hesaba katarak montaj öncesi parçanın mekanik özelliklerini çok iyi belirlemelidirler. 4. SONUÇLAR 6016-T4 doğal yaşlanma kinematiğini tamamlamış (oda sıcaklığında bekleme süresi > 3 ay) levhanın alındığı gibi haliyle hidrolik pres altında şekillendirme çalışmaları gerçekleşmiş olup kırılma ya da yırtılmalar gözlenmemiştir alaşımlı çekme testi numuneleri 180 C-30 dk yapay yaşlandırmaya tabi tutulmuştur. Buradaki amaç boya çevrimi sonrası elde edilen dayanım artışını belirlemektir numuneler üzerinde alındığı gibi ve 180 C-30 dk boya pişirimi sonrası çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Boya pişirim çevrimi sonrası akma dayanım değerlerindeki 19 MPa değerindeki artış genelde istenilen bir durum olmakla birlikte bazı durumlarda problemler yaratmaktadır. İstenilen hedef dayanımlarda montajı gerçekleşmiş alüminyum alaşımlı bir parçanın boyada dayanım artışı istenmemektedir. Boya sonrası alüminyum alaşımlı parçada sağlanan dayanım artışı parçadan beklenen hedef dayanım değerlerinin kaybolmasına neden olmaktadır. Bu gibi durumlarda araç performans testlerinde Al alaşımlı parçaların doğrulanması mümkün olmamaktadır. Bu nedenle, otomotiv üreticileri Al alaşımlı parçanın uğradığı süreçleri doğal yaşlanma etkisini de değerlendirerek çok iyi takip etmeli, boya sertleşmesini de hesaba katarak montaj öncesi parçanın mekanik özelliklerini çok iyi belirlemelidirler. Teşekkür Çalışma grubu olarak yardımlarından dolayı Nihat Kaya ve Tolga Gülkan a teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [1] Marciniak, Z., Hu, S.J., Duncan, J.L., Mechanics of Sheet Metal Forming, Butterworth-Heinemann, London, [2] Aluminum Association web sitesi: [3] T. A. Başer, M. Usta, H. Acar, Ö. F. Deniz, T. Çeliker, 6. Alüminyum Sempozyumu, 164, [4] Y. Birol, Mater. Sci. Eng., A , [5] T. Başer, V. Çelik, M. Usta, T. Çeliker, 7 th Automotive Technology Congress (OTEKON 2014), 70, [6] T. A. Başer, İkiz merdane döküm tekniğiyle üretilen AA6016 levhaların otomotiv uygulamaları, yüksek lisans tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, [7] L. Zhen, S. B. Mater. Sci. Eng., Tech., 905, [8] G. A. Edwards, K. Stiller, G. I. Dunlop, M. J. Couper, Acta Mater. 46, [9] I. Dutta, S. M. Allen, J. Mater. Sci. Lett , 1991.