ALÜMİNYUM ISIL İŞLEMİNDE SU VERME UYGULAMALARI VE KALINTI GERİLİME ETKİSİ Can DEMİR*, Elvan Bilge MENTEŞE*, Mustafa Alper TOGAY* *COMPONENTA DÖKTAŞ, Manisa ÖZET Alüminyum döküm parçalar mekanik özelliklerini iyileştirmek için ısıl işleme tabi tutulmaktadırlar. Bu ısıl işlemlerden biri çözeltiye alma, suverme ve yaşlandırma aşamalarından oluşan çözeltiye alma ısıl işlemidir. Suverme esnasında ortaya çıkan gerilimin daha sonra parçanın kullanımında boyutsal kararlılık ve yorulma dayanımı gibi özellikleri üzerinde olumsuz etkileri olduğu bilinmektedir. Bu makalede, muhtelif suverme işlemleri ve bunların parça üzerindeki kalıntı gerilime etkisi incelenecektir. Anahtar kelimeler: Alüminyum döküm, ısıl işlem, kalıntı gerilim QUENCHING METHODS IN ALUMINUM HEAT TREATMENTS AND EFFECTS ON RESIDUAL STRESS ABSTRACT Aluminium cast parts were being made heat treatment to obtain better mechanical properties. One of the them solution treastments was included three steps called solution, quenching and ageing. It was known that residual stress created by quenching was caused negative effects on dimensional stability and fatigue life during at usage. In this paper, different quenching methods and effects on residual stress will be examined. Keywords: Aluminium casting, heat treatment, residual stress 1. GİRİŞ Isıl işlem yapılabilen ve solvüs eğrisi gösteren alüminyum dökümlerde en sık kullanılan ısıl işlem olan T6, çözeltiye alma, su verme ve yaşlandırma aşamalarından oluşan işlemdir. Çözeltiye alma ısıl işleminde malzemenin solvüs eğrisi üzerindeki bir sıcaklığa ısıtıldıktan sonra, hızla bu sıcaklıktan soğutulması ile aşırı doymuş katı eriyik yapısı oluşturulur. Burada amaç çökelme sertleştirmesi yaratacak elementlerin çözünerek katı çözelti içinde hapsedilmesidir. İşlem sıcaklığı ve süresi parçanın kesit kalınlığı ve bileşimine bağlı olarak maksimum homojenizasyon sağlayacak şekilde seçilmelidir. Çözeltiye alma adımında üç faz görülür. Birincisi alaşım elementlerinin çözünerek zengin bir alüminyum matriks fazının oluşturulması ki bunlar daha sonra çökelme şertleşmesi yaratacaktır, ikincisi çözünmeyen bileşenlerin küreşelleşmesi ve üçüncüsü mikroyapının homojenleşmesidir.
Hızlı soğutma yani suverme işlemi çözünen elementlerin çözeltide kalmasını sağlamaktadır. Hızlı su verme çökelti sertleştirmesi özelliğini iyileştirirken, çarpılma ve kalıntı gerilimlerin oluşumunuda yol açar. Su verme işlemi sıcak su, polimerli su yada yüksek hızlı fanlarla hava ile yapılabilir. Su verme işleminin en önemli detaylarından biride çözeltiye alma işleminden çıkan parçanın çok kısa süre içinde su verme işlemine tabi tutulmasıdır [1]. Su verme sonrasında çözeltide kalan çözünen elementler, oda sıcaklığında yavaşça çökelmeye başlarlar. Bir süre sonra bazı alaşımlar oda sıcaklığında oldukça sertleşebilirler. Buna doğal yaşlanma adı verilir. Suni yaşlandırma olarak anılan işlem ise döküm parçaların 100-200 C gibi sıcaklıklarda tutulması ile yaşlandırmanın hızlandırılmasıdır. Yaşlandırma sıcaklığında süre arttıkça yavaş yavaş çökelti yapısı oluşur ve sertlik maksimum değerine doğru artar. Daha fazla yaşlandırmaya devam edilirse sertlik düşmesinin görüldüğü aşırı yaşlanma durumu ortaya çıkar. Şekil 1. suni yaşlandırma yapılan alaşımın mekanik özelliklerinin önsoğuma süresi ile değişimini göstermektedir. Şekil 1. Suni yaşlandırma yapılan alaşımın mekanik özelliklerinin önsoğuma süresi ile değişimi 2. SOĞUTMA KARAKTERİSTİĞİ Isıl işlemde soğutma ortamlarında üç ayrı faz gözlemlenir. Bunlardan birincisi buhar fazı, ikincisi kaynama fazı ve sonuncu faz konveksiyon fazıdır. Birinci faz olan buhar fazı ısıl işlem görmüş parçanın soğutma ortamına ilk daldırma esnasında etrafında buhar filmi oluşması aşamasıdır. Buhar fazı sahip olduğu düşük ısı iletim katsayısı nedeniyle yalıtım etkisi göstererek soğutma hızının düşmesine neden olur. Buhar fazı soğutma içindeki en önemli fazdır. Buhar fazının kısa olması çarpılma, mikro ve makroçatlak oluşma riskini azaltır. İkinci faz olan kaynama fazı, soğutma ortamına ve parçanın geometrisine bağlı olarak bir süre sonra buhar filminin parçalanmasından sonra ortaya çıkan fazdır. Parçanın yüzeyinde soğutma ortamının buharlaşması sonucunda artan hızlarda yüzeyden ısı uzaklaştırılır. Soğutma hızı maksimum değere ulaşır. Parçanın yüzey sıcaklığının düşmesiyle birlikte kaynama azalır ve sonuçta tamamen biter (Şekil 2.). Son faz olan konveksiyon fazı ısı transferinin konveksiyon yoluyla gerçekleştiği fazdır. Soğutma sıcaklık aralığında soğutma ortamının hareketlendirilmesi ile büyük ölçüde etkilenebilir.[2]
Şekil 2. Soğutma ortamlarındaki faz dönüşümleri Tüm su verme ortamlarının kontrolu kullanılan soğuma ve soğutma diyagramları giderek daha yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır (Şekil 3). Bu tip eğrilerin amacı konsantrasyon, karıştırma ve banyo sıcaklığına bağlı olarak soğutma ortamının performansını değerlendirmektir. Soğutma ortamlarının soğutma özelliklerinin ölçülmesi, genellikle kontrol numunesinin soğutma süresine bağlı olarak sıcaklığının veya kontrol numunesinin sıcaklığa bağlı olarak soğutma hızının ölçülmesi ile ifade edilir. Soğutma etkisinin ölçülmesi çelik (Meinhard Verfahren), nikel alaşımları (ISO 9950, GM-Verfahren) yada gümüş numune parçaları (Silberkugel methode) kullanılarak yapılmaktadır. Soğutma eğrilerinin değerlendirilmesi, buhar fazının uzunluğu, kaynama fazının sıcaklık aralığı ve konveksiyon fazının başlangıç sıcaklığı ve soğutma hızı ile yapılır [3]. Şekil 3. 95 C deki suyun soğuma ve soğutma eğrileri 2.1. Suverme Ortamları Yukarıda bahsedilen suverme işlemi parçanın geometrisine, kullanım amacına ve beklentilere göre farklı yöntemlerle yapılabilir. Bunlardan ilki sudur. Su sıcaklığı parçanın karmaşık şekilli olması ve çarpılma olasılığına karşın değişmektedir. Kalın parçalarda 40 C civarındayken, karmaşık şekilli parçalarda sıcaklık 70 C nin üzerinde olmalıdır.
Diğer bir su verme ortamı polimer karışımlı sudur. Polimer karışımlı suların tercih edilmesinde en büyük etken soğutma hızlarının suya göre daha düşük olması nedeniyle ısıl işlem sonrası çarpılma, çatlama ve kalıntı gerilimlerini düşürmesidir. Polimerli su çözeltilerinin soğutma hızı su ile yağ arasındadır. Bu yöntem normalde yağın soğutma ortamı olarak kullanılmasının uygun olmadığı yada imkansız olduğu ısıl işlem uygulamalarında istenilen sonuçların elde edilmesini sağlamaktadır. Polimerli su vermenin genel avantajları, çarpılmaların minimuma indirilmesi ve çok iyi boyutsal kontrol sağlanması, homojen ısı transferi özellikleri, su ile su vermede görülen buhar filmi, yüksek kalıntı gerilimler, gerilmeli korozyon çatlağının elimine edilmesi olarak sayılabilir. Bununla birlikte polimerli su verme ortamı konsantrasyon kontrolu ile esnek soğutma hızı sağlaması, parça ile taşınma oranının düşük olması nedeniyle ekonomik kullanım şartları sağlaması, çeşitli üretim yöntemleri ile üretilen levha, döküm, dövme parçalar için uygulanabilir olması özellikleri ile de dikkat çekmektedir. Uygulamadaki Önemli Noktalar En önemli kontrol parametrelerinden biri olan polimer konsantrasyonu ısıl işlem yapılan parçanın ağırlığına, geometrisine ve sertleşme özelliklerine göre belirlenir. Polimer konsantrasyonu refraktometre ile kontrol edilir [4]. Polimerlerin her biri için belirlenmiş refraktif indeksler vardır. Şekil 4 de farklı konsantrasyonlardaki polimerli su banyosunun soğutma özelliği görülmektedir.[5] Şekil 4. Polimerli su banyosunda 30 C de, 0,6 m/s karıştırma hızında konsantrasyonun soğutma özelliğine etkisi Polimerli su verme işleminde banyo sudakinin aksine soğutulmalıdır. Çünkü polimerlerin çalışma sıcaklık aralığı genellikle 30-50 C arasındadır ve 60 C nin üzerinde polimerde başlaması olası bozunmalar nedeniyle kullanımları uygun değildir. Polimerlerde konsantrasyon ve sıcaklığın yanı sıra diğer bir önemli konuda banyonun karıştırılmasıdır Şekil 5 de karıştırma hızının polimerin soğutma özelliğine etkisi gösterilmiştir. Banyonun karıştırılması hem polimerin suverme özelliğini hemde sıcaklık homojenizasyonunu sağlar. Karıştırma genellikle sirkülasyon pompası ile sağlanır [6]. Parçaların su verme işlemi sırasında askıdaki pozisyonlarıda büyük öneme sahiptir. Parçalar arasında su sirkülasyonun aynı olması için yeterli boşluk olacak şekilde sıralanmaları çok önemlidir. Polimerli su banyolarından çıkan parçaların yüzeylerinde ısıl işlem sonrası lekelenme olmaması için yaşlandırma işlemine girmeden su ile durulanmaları gerekir.
Şekil 5. Polimerli su banyosunda % 10 konsantrasyonda, 30 C de karıştırma hızının soğutma özelliğine etkisi Hava ile su verme işlemi ise parçanın çözeltiye alma sıcaklığı 530 C den 200 C ye 5 dakika içinde 20 m/s hızdaki hava ile indirilmesi ile gerçekleştirilir. Hava ile su verme uygulamaları özellikle kalıntı gerilimlerin önemli olduğu ve ısıl işlem sonrası deformasyon yada çatlak riskinin olduğu parçalar için kullanılmaktadır. Proses yatırım maliyeti oldukça yüksektir. 3. KALINTI GERİLME Üretim, sonraki işlemler ve montaj sonrasında parçada kalan gerilimlere kalıntı gerilim adı verilir. Isıl işlemde kalıntı gerilim yaratan önemli proseslerden biridir. Kalıntı gerilimler parçanın yorulma ömrü gibi pekçok önemli özelliğini etkilerler. Kalıntı gerilim ölçümlerinde kullanılan başlıca methodlar strain gage yada X-ray difraksiyon yöntemleridir. Tablo 1. de silindir kafalarının T6 ısıl işlemi esnasında farklı soğutma ortamlarında su verme işlemine göre elde edilen mekanik özellikler, kalıntı gerilim değerleri ve parça bazında maliyet değerleri verilmiştir. Tablo 1. Farklı suverme ortamlarına göre mekanik özellikler ve kalıntı gerilim değişimi Suverme Ortamı Konsantrasyon % Banyo Sıcaklığı ( o C) Kalıntı Gerilme (MPa) Çekme Muk. (MPa) Akma Muk. (MPa) % Uzama Maliyet / Parça Su 20 85-150 305 245 6 100 Su 40 70-140 300 240 5 100 Su 60 60-140 295 245 5 100 Su 80 70-150 270 230 3-5 100 Polimerli su 8 50 60-85 285 240 6-7 120 Polimerli su 12 50 55-60 285 240 6-7 120 Polimerli su 16 50 50-55 280 240 5 120 Hava < 20 275 220 5-6 140-200 3. DENEYSEL ÇALIŞMA Silindir kafalarında yorulma testi sonrasında ortaya çıkan çatlama probleminin (Şekil 6) ısıl
işlemden gelebilecek kalıntı gerilimler nedeniyle de yaşanabileceği düşünülerek farklı proses şartlarında kalıntı gerilimleri ölçülmesi düşünülmüştür. Şekil 6. Silindir kafalarında yorulma çatlak bölgesi Bunun için farklı su verme ortamlarında soğutulan silindir kafaları üretilmiştir. Soğutma ortamı olarak 70 C ve 95 C de su, 50 C de polimerli su ve hava kullanılmıştır. Su ve polimerli su uygulamaları Componenta Döktaş Manisa da yapılmış, hava ile su verme için dışarıda ısıl işlem yaptırılmıştır. Polimerli su banyosunun sıcaklığını 40-50 C de tutacak şekilde tanka soğutma sistemi ilave edilmiştir. Karıştırma etkinliği için uygun sirkülasyon pompası ve tank içerisine nozul çapları ve yerleri uygun karıştırmayı sağlayacak şekilde belirlenmiş çıkışlar ilave edilmiştir. Homojen soğuma etkisi sağlamak için parçaların askıya yerleştirilmesi düzenli boşluklar bırakılarak yapılmıştır. Su verme sırasında parçalar Şekil 7 deki görüldüğü gibi dizilmişlerdir. 70 C ve 95 C de su, 50 C de polimerli su ve hava ile su verilen silindir kafalarında kalıntı gerilim tesbiti için çatlama riski yaşanan noktalarına strain gageler yerleştirilerek gerilimler ölçülmüştür. (Şekil 8) Şekil 7. Silindir kafalarının askıdaki dizilişi,
Şekil 8. Kalıntı gerilimi ölçmek için yerleştirilen strain gage noktaları 70 C ve 95 C de su verilen silindir kafalarında yapılan ölçüm sonuçlarında kalıntı gerilim dağılımları 23 ile 66 MPa aralığındadır (Şekil 9). 95 C deki ölçümler arasında dağılım oldukça fazladır. Buna karşın 50 C deki polimerli suda su verme işlemine tabi tutulan silindir kafasındaki kalıntı gerilim dağılımları Şekil 10 daki diyagramda görüldüğü gibi 15-30 MPa daha düşüktür. Şekil 9. 95 C ve 70 C suda ölçülen kalıntı gerilim dağılımı Şekil 10. 50 C de polimerli suda ölçülen kalıntı gerilim değerleri
Hava ile soğutulan silindir kafalarında ise kalıntı gerilimler çok düşüktür. Hava, su ve polimerli suda su verme işlemine giren silindir kafalarının kalıntı gerilimlerinin karşılaştırılması Şekil 11 deki diyagramda görülmektedir. Şekil 11. Farklı soğutma ortamlarında su verilen silindir kafalarının kalıntı gerilim sonuçları 4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Kullanılacak su verme yöntemi parçanın ağırlığı, geometrisi ve beklenilen özelliklerine göre belirlenir. Günümüzde başta otomotiv endüstrisi olmak üzere, emniyet özelliği gerektiren parçaların ısıl işleminde su verme banyosu olarak polimerli su ile su verme uygulamaları yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Polimerli su verme işleminin suya göre en önemli avantajları boyutsal deformasyonu ve kalıntı gerilimi düşürmesidir. Hava ile su verme yöntemi parçadaki kalıntı gerilimleri minimuma indiren su verme yöntemi olmakla birlikte yatırım maliyeti çok yüksektir. Bu nedenle kalıntı gerilimleri belli oranda düşüren polimerli su banyoları gittikçe yaygınlaşmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, ölçülen kalıntı gerilimlerde en düşük değerler hava ile su vermede elde edilmiştir. En yüksek su ile su verme işleminden geçen parçalarda bulunmuştur. Polimerli su ile soğutulan silindir kafalarında kalıntı gerilimlerin değerleri suya göre daha düşüktür. Elde edilen sonuçlara göre polimerli su ile su verme uygulaması proses şartları belirlenmiş, uygulamaya alınmıştır. Polimerli su banyosunun kalıntı gerilim üzerindeki olumlu etkisi ile bu işlemden geçen parçaların yorulma testlerinde çatlama problemi büyük oranda aşılmıştır. 5. KAYNAKLAR 1. Aluminium Handbook, 1 Fundamentals and Materials, 256-273, 1999 2. Soğutma Ortamları, Petrofer 3. C. Uluç, Isıl İşlemlerde Kullanılan Polimerler ve Polimerlerin Soğutma Özellikleri, Metal Dünyası, Mayıs 2006 4. Aqua-Quench 251, Hougton 5. J. Bodin, S. Segerberg, IVF SmartQuench, Application Examples and New Functions, IVF Industrial Research and Development Corporation, October 2005 6. J..J. Lakin, The Use of Polimer Quenchants for Surface Heat Treatments, Heat Treatments of Metals, p.73-76, 1982