Alüminyum Köpük Üretiminde Ön Sinterleme ve Köpürtme Sıcaklığının Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Alüminyum Köpük Üretiminde Ön Sinterleme ve Köpürtme Sıcaklığının Etkisi S. Şahin 1, H. Durmuş 2, U. Güngen 1 1 Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Bölümü, Muradiye, Manisa, Türkiye, salim.sahin@bayar.edu.tr 2 Celal Bayar Üniversitesi, Turgutlu MYO, Makine Programı, Manisa, Türkiye, hulya.kacar@bayar.edu.tr Effects to Foam Formation of The Foaming And The Pre-Sintering Temperature During The Production Of Aluminum Foam Abstract In this study, the effects to foam formation of the foaming and the pre-sintering temperature during the production of aluminum foam were investigated. TiH 2 as foaming agents is added 1%, 1.5%, 2% rates to Al powder. Powder mixture is compressed 600 MPa, pre-sintered at 550 o C, 600 o C, 650 o C for 3 hours and deformed to 55%. Then, the samples kept in the oven for foaming at 690 o C, 710 o C and 730 o C for 5, 10, 15, 20, 25, 30 min. The density of the Al foam samples was measured. Pore distributions were investigated and photographed. Finally, 550 C pre-sintering temperature is most suitable for foaming. Anahtar Kelimeler Aluminum foam, TiH 2, Pore, Presintering, Foaming. I. GİRİŞ Son yıllarda, hafif metal köpüklerin üretimi ve karakterizasyonu konularına ilgi artmıştır. Diğer metallerle birlikte kullanıldığında, alüminyum köpükler askeri ve endüstri uygulamalarında pek çok parça üretimine uygundur [1]. Metal köpükler; mikro-gözenekli ısı değiştiricilerinde, elektronik aletlerin soğutulmasında, endüstriyel fırınlarda, hava soğutmalı kondenserlerde, kimyasal elektronik reaktörlerde, uçak ekipmanlarında, filtrelerde, yanmayan iç kaplamalarda, ısı ve ses yalıtımı için duvar panellerinde geniş oranda kullanılmaktadır [2, 3, 4]. Yüksek enerji emme kapasitesi ve düşük yoğunluk özelliklerinden dolayı güvenliğin ve hafifliğin gerektiği yerler olan otomobil, demiryolu ve havacılık endüstrisinde alüminyum köpüklerine ilgi artmaktadır. Metalik köpükler mükemmel darbe sönümleyicidir. Düşük gerilme altında kütle metalden daha fazla enerji emilimi vardır. Deformasyon enerjisini darbe enerjisine çevirebilir [5]. Bu malzemeler hücresel yapısından dolayı iyi termal özelliklere ve ses yutma kapasitesine sahiptir [6]. Tıp alanında da metal köpüklerin kullanımıyla ilgili çalışmalar yapılmıştır. Alüminyum-çelik köpüklerin üretimiyle kemiklerde kullanılabilecek malzemeler üretilmiştir. Kemikler ile bu malzemelerin elastiklik özellikleri benzemektedir [7]. Üretim yöntemleri arasında ergiyik içerisine gaz enjekte edilmesi, ergiyik içerisine köpürtücü madde ilavesi ve toz metalurjisi (IFAM) yöntemleri sayılabilir. Toz Metalurjisi (TM) yöntemi, metal köpüklerin üretimi için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir ve bu alanda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. TM yöntemiyle, bilinen basit köpük üretiminin yanı sıra sandviç köpük, küresel köpük, içi boş kalıp veya profil içerisinde köpürtme yapılabilmektedir [8]. Bu yöntemin en önemli avantajı, ön numunelerin ısıtılmış kalıp içerisinde genişlemesidir. Fakat, numunelerin çok dikkatli üretilmesi gerekir. Çünkü açık boşluklar ve diğer hatalar ilerleyen işlemlerde kötü sonuçlara neden olmaktadır [6]. Özellikle Al köpük üretiminde malzeme olarak saf alüminyum, 7075, 6061 ve AlSi7 alaşımlarından hazırlanan köpüklerin incelemeleri yapılmıştır [1]. TM yönteminde metal tozları, köpürtücü madde (genellikle TiH 2 ) ile karıştırılır ve preslenir. Köpürtme işlemi sırasında sıcaklığın artmasıyla yapı içerisindeki köpürtücü madde ayrışır ve gaz çıkışına neden olur. Ayrışma işlemi esnasında yüksek sıcaklıktaki metalde genleşme yani köpürme meydana gelir [9]. Bu çalışmada TM yöntemiyle saf alüminyum-tih 2 tozları kullanılarak farklı oranlarda TiH 2, farklı önsinterleme sıcaklıkları, köpürtme sıcaklıkları ve süreleri kullanılarak alüminyum köpük üretimi gerçekleştirilmiştir. II. DENEYSEL ÇALIŞMA A. Malzeme ve Yöntem Köpük üretimi için ECKA dan temin edilen %99 saflıkta alüminyum tozu kullanılmıştır. Al tozuna %1, %1.5, %2 oranlarında TiH 2 tozu ilave edilmiş ve karışım 2 saat karıştırılarak homojen hale getirilmiştir. Toz karışımı 10x10x60 mm boyutlarında toz metal numune çıkarılabilecek kalıp içerisine konularak 600 MPa basınç altında sıkıştırılmıştır. Böylece numuneler elde edilmiştir. Numunelere 550 o C, 600 o C, 650 o C sıcaklıkta 3 saat ön sinterleme yapılmıştır. Daha sonra %55 oranında deformasyon uygulanmıştır. Deformasyon uygulanan numuneler üç eşit parçaya bölünmüştür. Bu numuneler 690 o C, 710 o C ve 730 o C de; 5, 10, 15, 20, 25 ve 30 dk bekletilerek köpürtme işlemleri gerçekleştirilmiştir. B. Yoğunluk 397

2 S. Şahin, H. Durmuş, U. Güngen. Köpürtülen numunelerin yoğunluklarının tespiti için Arşimet prensibi kullanılmıştır. Bu prensibe göre; [1] 690 o C de köpürtme işlemi uygulanan numunelerde ön sinterleme sıcaklığı arttıkça yoğunluklarda çok fazla bir değişiklik meydana gelmemiştir (Şekil 1-3). d: yoğunluk m n : havadaki ağırlık m s : sudaki ağırlık dir. Bu denklem ile bulunan değerler grafiklere aktarılmıştır. Şekil 4: 550 o C de ön sinterleme ve 710 o C de köpürtme işlemi Şekil 1: 550 o C de ön sinterleme ve 690 o C de köpürtme işlemi Şekil 1 e göre % 2 TiH 2 içeren 550 o C de ön sinterlenmiş ve 690 o C de köpürtülmüş numunede yoğunluk değerleri en düşük elde edilmiştir. Şekil 5: 600 o C de ön sinterleme ve 710 o C de köpürtme işlemi Şekil 2: 600 o C de ön sinterleme ve 690 o C de köpürtme işlemi 600 o C de ön sinterlenmiş 690 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerin içinde %2 TiH 2 içeren grupta yoğunluk en düşüktür (Şekil 2). Şekil 6: 650 o C de ön sinterleme ve 710 o C de köpürtme işlemi 710 o C de köpürtme işlemi uygulanan numunelerde ön sinterleme sıcaklığı arttıkça yoğunluklarda düşme gözlenmiştir (Şekil 4-6). Şekil 3: 650 o C de ön sinterleme ve 690 o C de köpürtme işlemi 398

3 Alüminyum Köpük Üretiminde Ön Sinterleme ve Köpürtme Sıcaklığının Etkisi Şekil 7: 550 o C de ön sinterleme ve 730 o C de köpürtme işlemi Şekil 8: 600 o C de ön sinterleme ve 730 o C de köpürtme işlemi Şekil 9: 650 o C de ön sinterleme ve 730 o C de köpürtme işlemi Şekil 7-9 daki numunelerde %2 TiH 2 içeren örneklerde köpükleşme daha fazla ve bundan dolayı yoğunluklar düşüktür. C. Alüminyum Köpük Fotoğrafları Köpürtme işlemi tamamlandıktan sonra numunelerin köpükleşme oranlarını karşılaştırmak amacıyla fotoğrafları çekilmiştir (Şekil 10). 399

4 S. Şahin, H. Durmuş, U. Güngen. Şekil 10: Alüminyum köpüklerin dış görünüşleri. 550 o C de ön sinterlenmiş ve 690 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde TiH 2 oranı arttıkça köpükleşme artmıştır (Şekil 10 a). Bu gruptaki köpüklerin yoğunlukları incelendiğinde de en düşük yoğunluk %2 TiH 2 de elde edilmiştir (Şekil 1). 600 o C de ön sinterlenmiş ve 690 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde köpükleşme gerçekleşmemiştir (Şekil 10b). 650 o C de ön sinterlenmiş ve 690 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerden %1 TiH 2 içeren numunede köpükleşme gerçekleşmiştir (Şekil 10c). 550 o C de ön sinterlenmiş ve 710 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde köpükleşme aynı orandadır (Şekil 10d). 600 o C de ön sinterlenmiş ve 710 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde TiH 2 oranı arttıkça köpükleşme artmıştır (Şekil 10e). 650 o C de ön sinterlenmiş ve 710 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde aynı oranda köpükleşme gerçekleşmiştir (Şekil 10f). 550 o C de ön sinterlenmiş ve 730 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerin hepsinde aynı oranda köpükleşme meydana gelmiştir (Şekil 10g). 600 o C de ön sinterlenmiş ve 730 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde TiH 2 oranı attıkça köpükleşme artmıştır (Şekil 10h). 650 o C de ön sinterlenmiş ve 730 o C de köpürtme işlemi uygulanmış numunelerde TiH 2 oranı attıkça köpükleşme artmıştır (Şekil 10ı). D. Alüminyum Köpük Kesit Fotoğrafları Numunelerin yoğunluk ölçümlerinden sonra kesitleri alınarak köpük dağılımı incelenmiştir (Şekil 11). Şekil 11: Alüminyum köpüklerin kesit görüntüleri. a-%1 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc.- 25 dk köpürtme süresi b-%1 TiH o C ön sin. sıc.-690 o C köpürtme sıc.-30 dk köpürtme süresi c- %1 TiH o C ön sin. Sıc o C

5 Alüminyum Köpük Üretiminde Ön Sinterleme ve Köpürtme Sıcaklığının Etkisi dk. köpürtme süresi d--%1.5 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc.-20 dk köpürtme süresi e- %1.5 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -5 dk köpürtme süresi f- %1.5 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -15 dk köpürtme süresi g- %2 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc - 20 dk köpürtme süresi h- %2 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -30 dk köpürtme süresi ı-%2 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -10 dk köpürtme süresi i- %2 TiH o C ön sin. sıc.-710 o C köpürtme sıc -20 dk köpürtme süresi j- %2 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -5 dk köpürtme süresi k- %2 TiH o C ön sin. sıc o C köpürtme sıc -15 dk köpürtme süresi %1 TiH 2 içeren köpük numunede, köpürtme sıcaklığı 690 o C den 710 o C ye yükseldiğinde gözeneklerin sayısı artmıştır (Şekil11). Numunelerin bir kısmında 4 mm lik gözenekler oluşmuştur (Şekil 11b). Gözeneklerin 2-3 mm civarında ve homojen dağılmıştır. TiH 2 oranı %1 den %1.5 a arttığında gözeneklerde küçülmeler görülmüştür (Şekil 11c-d). 730 o C köpürtme sıcaklığında sürenin artmasıyla gözenekler büyümüş ve dağılımı düzensizleşmiştir (Şekil e-f). Ön sinterleme sıcaklığının 550 o C den 650 o C ye yükseltilmesiyle gözenek boyutları büyümüş ve dağılım azalmıştır (Şekil g-h). Bazı numunelerde 2 mm civarında gözenekler oluşmuştur (Şekil 11ı). Yüksek ön sinterleme sıcaklığından dolayı köpüklerdeki gözenekler büyük ve tek olmuştur (~6mm) (Şekil 11i). Ön sinterleme sıcaklığının 650 o C den 550 o C ye düşürülmesi ve 730 o C de köpürtmeli numunede 4mm ve daha küçük gözenekler yayılmıştır (Şekil 11j). Köpürtme sıcaklığının 15 dk. ya yükseltilmesiyle 1mm ve daha küçük gözenekler elde edilmiştir (Şekil 11j-k). KAYNAKLAR [1] C. Francesca and P. Daniela, Effect of heat treatments on the mechanical behaviour of aluminium alloy foams, Scripta Maerialia,, vol. 60, no8, pp , [2] C. Özten, H. K. Durmuş, S. Akgün, C. Meriç, Metal Köpükler, Metal Makina, Eylül [3] N. Çelik and İ. Kurtbaş, Effects of Alluminum Foam Materials on Heat Exchangers, 9th International Combustion Symposium, Kırıkkale University, November 2006, Kırıkkale, Turkey. [4] H. Bafti and A. Habibolahzadeh, Production of aluminum foam by spherical carbamide space holder technique-processing parameters, Materials &Design, vol. 31, no9, pp , [5] C. Zhang, Y. Feng, X. Zhang, Mechanical properties and energy absorption properties of aluminum foam-filled square tubes, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 20, Issue 8, Pages , August [6] M. Shiomi, S. Imagama, K. Osakada and R. Matsumoto, Fabrication of aluminium foams from powder by hot extrusion and foaming, J. of Materials processing Technology, Volume 210, Issue 9, Pages , 19 June [7] ajans3g.com/?p=4129 [8] M. Türker, Toz Metalurjisi Yöntemi İle Alüminyum Köpük Üretimi, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye. [9] İ. Yavuz, M. S. Başpınar, Hüseyin Bayrakçeken, Metalik Köpük Malzemelerin Taşıtlarda Kullanımı, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED), (3), 43-51, III. SONUÇLAR Bu çalışmada, farklı oranlarda TiH 2, farklı ön sinterleme sıcaklıkları, farklı köpürtme sıcaklık ve süreleri kullanılarak Al köpüklerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen alüminyum köpüklerle yapılan deneyler neticesinde elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir. 1. Genel olarak köpürtme süresi arttıkça numunelerde köpükleşme artmıştır. 30 dk köpürtme süresinde en düşük yoğunluklar elde edilmiştir. 2. İyi bir köpükleşme için en uygun ön sinterleme sıcaklığı 550 o C dir. 3. Düşük ön sinterleme sıcaklığına ve yüksek TiH 2 oranına sahip numuneler ile, yüksek ön sinterleme sıcaklığında ve düşük TiH 2 e sahip numunelerde düzgün hücreler elde edilmiştir. 4. Köpürtme sıcaklığı genel olarak ön sinterleme sıcaklığına bağlı olduğu görülmüştür. Seçilen en düşük ön sinterleme sıcaklığı olan 550 o C de, köpürtme için kullanılan tüm sıcaklıklarda diğer numunelere göre daha fazla köpükleşme elde edilmiştir. 401