SAVUNMA SANAYİİ DENİZALTI MUHAFAZA KUTULARI VE İNTERSEPT SONAR SİSTEM PARÇALARININ YERLİLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 SAVUNMA SANAYİİ DENİZALTI MUHAFAZA KUTULARI VE İNTERSEPT SONAR SİSTEM PARÇALARININ YERLİLEŞTİRİLMESİ Murat ÇELİKER (a), İlhami ŞAHİN (b), Onur ERSOY (c), Volkan KOÇAK (d), Tuba ÖZEREN (e), Feriha BİROL (f) (a) Metalurji ve Malzeme Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No :42 Şekerpınar / Gebze Kocaeli, murat.celiker@saglammetal.com (b) Metalurji ve Malzeme Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No: 42 Şekerpınar / Gebze Kocaeli, ilhami.sahin@saglammetal.com (c) Makina Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No:42 Şekerpınar/ Gebze Kocaeli, onur.ersoy@saglammetal.com (d) Malzeme Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No:42 Şekerpınar/ Gebze Kocaeli, volkan.kocak@saglammetal.com (e) Metalurji ve Malzeme Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No:42 Şekerpınar / Gebze Kocaeli, tuba.ozeren@saglammetal.com (f) Metalurji ve Malzeme Mühendisi, SAĞLAM METAL A.Ş., Cumhuriyet Mah. İnönü Cad. No:42 Şekerpınar / Gebze Kocaeli, feriha.birol@saglammetal.com ÖZET Aluminyum bronzları %14 e kadar alüminyum içeren bakır esaslı alaşım ailesidir. Nikel, demir ve mangan ilaveleri, mukavemet, süneklik, korozyon direnci, manyetik geçirgenlik vb. farklı gereksinimleri karşılamak üzere tasarlanmış farklı alaşım türleri oluşturmak için yapılır. Bu çalışmada, Savunma Sanayine yönelik aluminyum- demir- nikel mangan elementlerinden oluşan aluminyum bronzlarının, GAM MM 11 standardına uygun denizaltı muhafaza kutuları ve ASTM B150 standardına uygun denizaltı intersept sonar sistem parçalarının döküm, sıcak dövme, ısıl işlem, CNC işleme süreçleri tarif edilmiştir. Üretim çıktıları sertlik, çekme testleri, çentik darbe testleri testleri ile kontrol edilmiş ve standart değerleri ile karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alüminyum Bronzları, Isıl İşlem, Mekanik Özellikler, Sertlik ABSTRACT Aluminum bronze is a copper-based alloy family containing up to 14% aluminium. Additions of nickel, iron and manganese are made to create different types of alloys with properties designed to meet different requirements of strength, ductility, corrosion resistance, magnetic permeability etc. In this study, the processes of casting, hot forging, heat treatment, CNC machining of aluminum bronzes composed of aluminum-iron-nickel-manganese elements, submarine storage boxes according to GAM MM 11 standard and subsea intersept sonar system parts according to ASTM B150 standard are described. Production outputs are checked with hardness, tensile tests, impact tests and compared with standard values.

2 Keywords: Aluminium Bronzes, Hardness, Heat Treatment, Mechanical Properties 1. GİRİŞ Aluminyum bronzları ana alaşım elementi olarak % 5 den % 14 e kadar alüminyum içeren bakır esaslı alaşım ailesidir. Kum kalıba dökümden, sürekli döküm, santrifüj döküme pek çok yöntemle kolaylıkla dökülebilir ve dövme, haddeleme, ekstrüzyon gibi pek çok yöntemle plaka, çubuk, tüp, şerit veya tel olarak şekillendirilebilir alaşımlardır. Diğer bakır alaşımlarıyla karşılaştırıldığında oldukça yüksek mukavemet yanında üstün korozyon özellikleri bu alaşımları çok çeşitli servis koşulları altında kullanımı için cazip kılar [1]. Döküm ve dövme alüminyum bronzlar, üstün dayanımları, korozyon ve aşınma direnci, basınç sızdırmazlığı ve kaynaklanabilirliği nedeniyle pompalarda, valflerde, pervanelerde, deniz ve diğer aşındırıcı ortamlarda çalışan ekipmanlarda, petrol tesislerinde, havacılık ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır [2]. Endüstriyel olarak kullanılan alüminyum bronzlarında alüminyuma ilave olarak en yaygın kullanılan alaşım elementleri nikel, demir, mangan ve küçük miktarlarda silisyum ve kalaydır. Alaşımın mekanik özellikleri esas olarak alüminyum içeriğine bağlıdır. Diğer alaşım elementlerinin değişen oranlarda ilavesiyle alt alaşım grupları oluşur. Buna göre alüminyum bronzları alüminyum ve diğer alaşım ilaveleri ve içeriğine göre iki temel kategoride ele alınır. İlk kategori % 8 den daha düşük Al içeren ve tek fazlı yapıya sahip alüminyum bronzları olarak değerlendirilir. Bu alaşım grubu özellikle çok iyi süneklik gösterirler ve soğuk şekillendirme için uygun alaşımlardır. Diğer önemli alüminyum bronz grubu ise % 8-14 arasında alüminyuma ilave olarak yüksek miktarlarda Ni ve Fe gibi alaşım elementleri de içeren yüksek mukavametli ve yüksek alaşımlı iki fazla yapıya sahip alüminyum bronzlarıdır [3,4]. Alüminyum bronzlarına en önemli alaşım elementi ilavesi nikeldir ve alüminyum bronzlarının mükemmel süneklik, tokluk ve korozyon direncini azaltmaksızın alaşımın mukavemetini arttırır. Bu alaşımlar sonar sistemleri, gemi pervaneleri gibi deniz uygulamalarında geniş kullanım bulur [4,5]. Ni içeren alüminyum bronzlarının (NAB) yapılarında alaşım içeriğine ve uygulanan ısıl işlemlere bağlı olarak çok sayıda intermetalik fazlar oluşur. Oluşan fazların miktarı, dağılımı, boyutları aşınma, mekanik, korozyon gibi temel özelliklerini önemli ölçüde etkiler [6]. Aluminyum nikel bronzlarında oluşan temel fazlar α (bakırca zengin katı çözelti matris), β'(veya β martenzit faz), 2 ve fazlarıdır. α, 2 ve fazları oda sıcaklığında yapıda olan fazlarken % 9-10 Al içeren alaşımlarda yüksek sıcaklıklarda kararlı olan β fazı 565 C den yavaş soğutma halinde oda sıcaklığında kararsız hale gelir ve α, gevrek 2 fazlarına ayrışır. Gevrek olan 2 fazı mekanik özellikleri olumsuz etkilediği gibi

3 aynı zamanda tercihli çözünerek korozyon direncini de olumsuz etkiler. % 9 üzerinde Al içeren alaşıma Ni ve Fe ilavesi 2 fazı oluşumu bastırılır ve yerine alaşımın özelliklerini çok daha olumlu etkileyen intermetalik fazları ( I, Iı Iıı Iv ) oluşturulur. Isıl işlem sıcaklık ve süreleri, suda su verme, tavlama, yaşlandırma gibi işlemlerle aynı alaşımda bile sözü edilen fazların türlerini, miktarlarını ve boyutlarını etkileyerek oldukça farklı özelliklerde malzeme üretimine yol açar [6-8]. Nikel içeren alüminyum bronzları yaygın kullanım bulmalarına rağmen uygulanan işlemlere bağlı olarak ortaya çıkan karmaşık yapıları nedeniyle istenen özelliklerin elde edilmesi özel şartları ve dikkati gerektirmektedir. Bu nedenle denizcilik, havacılık ve savunma sektörlerindeki kritik uygulamalar için bu alaşımların yurt dışından ithal edilmesi yoluna gidilmektedir. İthal ürünlerin pahalı olması ve termin sürelerinin uzun olması, sıkıntı yaratmakta ve bu sektörlerden bir alüminyum bronz üretici olan firmamıza yerlileştirme talepleri gelmektedir. Bu talepler doğrultusunda firmamızda savunma ve havacılık endüstrisinde kullanılan alüminyum bronzlarının yerlileştirme projesi başlatılmıştır. Proje kapsamında savunma sanayiinde denizaltı muhafaza kutularında ve intersept sonar system parçası olarak kullanılan iki kritik alaşım olan CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) ve CuAl9Ni5Fe4 alaşımlarının yerlileştirilmesi çalışılmıştır. Bu çalışmada döküm, dövme, ısıl işlem ve işleme kullanılarak işletmemizde üretilen parçalar incelenmiş ve ASTMA B150 ve GAM MM 11 savunma sanayii standartlarına uygunluğu test edilmiştir. 2. MALZEME ve ÜRETİM YÖNTEMLERİ Çalışmada, işletme üretim şartları kontrol edilerek çok sayıda alaşım üretilmiş ve değerlendirilmiştir. Bu nedenle makalede 1. Grup ve 2. Grup alaşım olarak kategorize edilmiştir. Çok sayıda çalışma sonucunda standartlara uyan alaşım bileşimleri ve üretim şartları belirlenerek çoklu üretim yapılmıştır. Çoklu üretim sonucu elde edilen malzemelerin kimyasal bileşim değerlerinin, sertlik değerlerinin ve mekanik özelliklerinin ortalaması alınarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, savunma sanayine yönelik alaşım bileşimleri birbirine yakın olmasına rağmen ısıl işlem süreçleri ve mekanik özellikleri birbirinden farklı CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) ve CuAl9Ni5Fe4 nikel içeren alüminyum bronzları kokil kalıba dökülmüş, döküm sonrası kimyasal analiz kontrolleri yapılmıştır. Alaşım bileşimleri ve standartlarla karşılaştırmaları Çizelge 1. de verilmiştir. Kalıptan çıkarılan ingotların yolluk kısımları kesilerek yüzey tornalama işlemi ile yüzeyleri temizlenmiştir. Temizlenmiş ingotlardan uygun parçalar kesilerek ısıl işlem çalışmaları öncesi sıcaklık ve süresi firmamızca belirlenen şartlarda ısıtılan parçalar sıcak dövme işlemi ile şekillendirilmiştir.

4 Çizelge 1. Alaşımların Ort. Kimyasal Bileşimleri ve Standart Değerleri 1.Grup Alaşım: CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) 2.Grup Alaşım: CuAl9Ni5Fe4 Element (% ağ) Cu% Al% Ni% Fe% Mn% ASTM B150 Min , ,5 Max.1,5 Test Numuneleri GAM MM 11 Kalan 8,5-10,1 Test Numuneleri 78,5 10,55 4,95 4,45 0,79 4-5,5 3-5,5 Max.1,5 81,35 9,324 4,73 3,95 0, Grupta Denizaltı İntersept Sonar sistem parçası üretimi için talep edilen CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) alaşımı değerlendirilmiştir. Bu alaşım su verme ile sertleştirilebilen bir alaşımdır. Bu alaşıma dövme işleminden sonra ASTM B150 standartına uygun TQ30 işlemi Sağlam Metal tarafından üretim şartlarında optimize edilerek çözeltiye alma, su verme ve temper ısıl işlem adımları olarak uygulanmıştır. Bu aşamada alınan örneklerin HRC cinsinde sertlik değerleri ölçülmüş ve ASTM E8/E8M standartına göre çekme testleri yapılmıştır. Sonuçlar ASTM B150 standartı ile karşılaştırılmış ve standarta uygunluğu belirlenmiştir. 2. Grupta Denizaltı Muhafaza Kutu imalatı için CuAl9Ni5Fe4 alaşımı yer almıştır. Bu alaşımdan yapılan dökümlerde elde edilen ingotlardan kesilen parçalar sıcak dövme işlemi ile şekillendirilmiş ve talebe uygun olarak parçalara yüksek sıcaklıkta (sıcaklık ve süresi Sağlam Metal tarafından deneysel olarak belirlenen) tavlama işlemi uygulanmıştır. Tavlanmış alaşımların HB cinsinden sertlik değerleri ölçülmüş, ASTM E8/E8M standartına göre çekme testi ve kullanım alanında kritik olduğu için çentik darbe testleri yapılmıştır. Sonuçların GAM MM 11 standartına uygunluğu test edilmiştir. Parçalarda kaba torna ve freze işlemlerinin ardından ultrasonik muayene testi ile alaşımların süreksizlik kontrolleri yapılmıştır. Testlerin tamamlanması ve raporlanmasının ardından malzemeler CNC tezgahlarında teknik resim ölçülerine göre hassas işlenmiş ve CMM ölçü kontrolleri yapılmış ve ölçü raporları hazırlanmıştır. 3. DENEYSEL SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Alaşım iyileştirme ve ısıl işlem süreçlerini optimize etme süreçlerinde çok sayıda alaşım numunesi üzerinde sertlik ölçümü ve çekme testleri ve CuAl9Ni5Fe4 alaşımına da ilave olarak darbe çentik testi yapılmıştır. Sonuçlar ASTM B150 ve CuAl9Ni5Fe4 standartlarındaki değerlerle karşılaştırılmıştır. Bu değerlere uymayan deneyler ve bu deneylerin numune değerleri çıkartılmış kalan değerlerin ortalaması alınmıştır. Ortalama değerler Çizelge 2 de verilmiştir.

5 Çizelge 2. Standartlara Uygun Üretilen Alaşımların Mekanik Özellikleri ve Standartlarla Karşılaştırılması 1. Grup Alaşım : C Grup Alaşım : CuAl9Ni5Fe4 Sertlik (HRC/HB) ASTM B150 Min. 26 HRC Test Numuneleri GAM MM 11 Min. 152 HB Test Numuneleri Çekme Muk. (MPa) Akma Muk. (MPa) Uzama (%) Min. 890 Min. 620 Min HRC 1035,7 786,3 8,15 Darbe Dayanımı (J) Min. 250 Min. 18 Min HB 695,51 304,19 27,53 28,5 Çizelge 2 deki sonuçlar değerlendirildiğinde CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) ve CuAl9Ni5Fe4 alaşımlarının gerek sertlik gerekse akma ve çekme mukavemet değerlerinin standartta verilen alt sınırların epey üzerinde ve standarta uygun olduğu görülmüştür. Buna göre standartlara uygun malzemeler için üretim süreçleri tanımlanmıştır. Parçalara uygulanan ultrasonik kontrollerde uygun şartlarda üretim ile gözenek ve diğer döküm kusurlarının minimum düzeyde olduğu belirlenmiştir. CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) ve CuAl9Ni5Fe4 alaşımlarından üretilen parçaların örnek fotoğrafları Şekil 1 ve Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 1. Denizaltı intersept sonar sistem parçası örnek 3D çizimi ve işlenmiş son hali (CuAl11Ni5Fe5Mn- C63020)

6 Şekil 2. Denizaltı Muhafaza Kutuları (GAM MM 11- CuAl9Ni5Fe4) 4. SONUÇLAR Bu çalışma ile firmamızda savunma sektöründe önemli yer tutan CuAl11Ni5Fe5Mn (C63020) ve CuAl9Ni5Fe4 alüminyum bronzu alaşımlarından ASTM B150 ve GAM MM 11 standartlarına uygun, savunma sanayisinin ihtiyaçlarını karşılayan alaşım ve parçaların başarıyla üretimi mümkün olmuştur. Bu üretim tamamen yurtiçi kaynakları kullanılarak yapılmıştır. Bu alaşımların üretim süreçleri, alaşımlamadan işlemeye, ölçü kontrol prosedürlerine kadar tüm süreçlerin takibi yapılmış, üretim parametreleri kayıt altına alınmıştır. Üretim çıktıları sertlik, çekme ve darbe testleriyle kontrol edilmiştir. Ultrasonik muayene testleri ile süreksizlik kontrolleri yapılmıştır. Alaşımların üretimi, tasarım gereksinimleri doğrultusunda GAM MM 11 ve ASTM B 150 standartlarına uygun yapılmış ve test raporları ile belgelenmiştir. KAYNAKÇA [1] [2] Harry Meigh, (2008), "Cast and Wrought Aluminium Bronzes Properties, Processes and Structure", Maney Publishing, 34. [3] um_bronze.pdf [4] Guide to Nickel Aluminium Bronze for Engineers, Copper.org yayını [5] Hakan Koçak, (2006), "Bakır Alaşımları El Kitabı", Ofset Matbaacılık, 37. [6] Ashkan Vakilipour Takaloo, Mohammad Reza Daroonparvar, Mehdi Mazar Atabaki, Kamran Mokhtar, (2011), Corrosion Behavior of Heat Treated Nickel-

7 Aluminum Bronze Alloy in Artificial Seawater, Materials Sciences and Applications, 2, [6] [7] [8] Peter Sláma, Jaromír Dlouhı, Michal Kövér (2014), "Influence of Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Aluminium Bronze", MTAEC9, 48(4)599.