İÇECEK KUTULARINA YÖNELİK OLARAK İKİZ MERDANELİ SÜREKLİ DÖKÜM YÖNTEMİ AA 3104 ALÜMİNYUM ALAŞIMININ DÖKÜMÜ VE TERMOMEKANİK PROSESLERİN TASARIMI Cansu KIYAK*, Mithat MARMARA*, Özgül KELEŞ**, * Teknik Alüminyum San. A.Ş - İstanul cansukiyak_87@hotmail.com mithat.marmara@teknikaluminyum.com.tr **İstanul Teknik Üniversitesi İstanul ozgulkeles@itu.edu.tr ÖZET İçecek pazarındaki gelişmeler seeiyle üreticiler içecekleri ozulmadan korumaya yönelik hafif, müşterinin dikkatini çekecek estetik şartları sağlayailecek, taşıma kapasitesi yüksek ve kullanım şartlarına uygun mukavemette amalajları tercih etmektedirler. AA3104 alaşımlı malzemeler yüksek spesifik mukavemeti, korozyon direnci, şekil verileilirlik ve geri dönüştürüleilirlik özellikleri nedeniyle içecek kutularının üretiminde kullanılmaktadır. Günümüzde AA3104 alaşımlı malzemeler daha çok geleneksel döküm yöntemi olan doğrudan döküm (DD) yöntemi ile üretilmektedirler. Son yıllarda u döküm yöntemine alternatif olarak gerek makine yatırım maliyetinin gerekse üretim maliyetlerinin düşüklüğü nedeniyle ikiz merdane döküm (İMD) yöntemi ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada ikiz merdaneli sürekli döküm yöntemiyle üretilmiş AA3104 alaşımlı 7,20 mm kalınlığında levhalar soğuk haddeleme ve tavlama işlemleri ile nihai ürün 0,20 mm kalınlığa getirilmiştir. Döküm kalınlığından farklı kalınlıklara indirilen malzemelere (4,35 ve 5,80 mm) aynı sürelerde farklı homojenizasyon (480 ve 550 C) tavları yapılarak H0 kondüsyonunda 4 farklı ürün elde edilmiştir. Elde edilen ürünlerin mekanik özellikleri (akma-çekme mukavemeti, anizotropi katsayısı) çekme ve Erichsen testi uygulanarak; mikroyapılarındaki değişiklik ise optik mikroskop altında yapılan inceleme ile elirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Sürekli Levha Dökümü, AA3104, Al-Mn TWIN ROLL CASTING of AA3104 ALLOY AND TERMOMECHANICAL PROCESS DESIGN FOR BEVERAGE CANS ABSTRACT Due to advances in everage market, the manufacturers select packaging that is light and aesthetically appealing, has high capacity and high strength. Since, AA3104 alloy has high specific strength and high corrosion resistance, along with high plasticity and recyclaility features, it could e used in the production of everage cans. Traditional casting method so called direct casting method is usually used for casting AA3104 alloy for can stock applications. In recent years, twin roll casting, due to its low investment and production costs has come to forward. In this work, AA3104 alloy is cast y twin rolled casting and a series of thermo-mechanical processes have een applied to get the final product. Macro and microstructural analyses have een made along with mechanical tests. Keywords: Aluminum, Continuous Casting, AA3104, Al-Mn
1.GİRİŞ AA3104 alaşımının ana alaşım elementleri Mn ve Mg dur. Kimyasal ileşim olarak %0,8-1,4 Mn ve %0,8-1,3 Mg içermektedir. Alaşımda düşük Mn ve Mg oranlarının ulunması ve derin çekileilirlik için uygun fiziksel özellikler nedeniyle, alüminyum içecek kutularının üretiminde AA3104 alaşımı kullanılmaktadır. İçecek kutularının üretiminde kullanılan AA3104 alaşımı daha çok geleneksel döküm yöntemi olan ve DD döküm olarak ilinen yöntem kullanılmaktadır. DD döküm yönteminde dökülen slalar yüzeydeki oksit taakası mekanik olarak temizlendikten sonra homojenizasyon ısıl işlemi görürler. Isıl işlem sonrası slalar sıcak haddeleme ile istenilen kalınlığa daha sonrasında soğuk haddeleme ile de nihai kalınlığa indirilirler. Son yıllarda Al alaşımları için yeni ir teknoloji olan İMD daha fazla ilgi kazanmıştır. Sürekli döküm yönteminde dökülen levha rulo şeklinde soğukhadde işleminden geçirilerek nihai kalınlığa indirilirler. Bu iki yöntem kıyaslandığında sürekli dökümün geleneksel döküme göre proses maliyeti, operasyon maliyeti, yatırım maliyeti daha düşük ve verimliliği ise daha yüksektir [1]. Malzemelerin şekillendirileilirlik özelliğinin incelendiği çalışmaların geneli AA3104 ün dışındaki diğer 3xxx serisi ve 5xxx serisi Al alaşımlarıdır. AA3104 alaşımı ile ilgili çalışmaların çoğunluğu içecek kutuları ile ilgili olup neredeyse tamamı DD döküm yöntemi ile yapılmış çalışmalardır. DD döküm yöntemiyle Scott L. Palmer ve arkadaşlarının yaptığı çalışmada içecek kutularının yüksek mukavemette, düşük kulaklanma davranışını veren prosesler incelenmiştir. Elde edilen içecek kutularının yüksekliğinde meydana gelen dalgalanmalara kulak adı verilir. İçecek kutularında kulaklanma istenmeyen ir durumdur. Çalışmanın sonucunda akma mukavemetinin 280 MPa olduğu proses en az kulaklanmanın olduğu sonuçları vermiştir [2]. Bu çalışmada ikiz merdaneli sürekli döküm yöntemiyle üretilen AA3104 alaşımında döküm levhalar soğuk haddeleme ve tav işlemleriyle nihai ürün haline getirilmiştir. Elde edilen ürünlerin mekanik özellikleri (akma-çekme mukavemeti, anizotropi katsayısı) çekme ve Erichsen testi uygulanarak; mikroyapılarındaki değişiklik ise optik mikroskop altında yapılan inceleme ile elirlenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Endüstriyel ölçekte döküm makinalarında 7,5 ton ağırlığındaki oinler Teknik Alüminyum Tesislerinde Novalis döküm makinalarında 80 cm/dk hat hızında, 1660 mm genişliğinde ve 7,20 mm kalınlığında üretilmiştir. Malzemenin kimyasal ileşimi SpektroLa marka LAVMC07A model spektral analiz cihazı ile yapılmış ve kimyasal ileşim standardı ile irlikte Talo 1 de verilmiştir. Talo 2 de ise 0,20mm kalınlığında üretilen levhaların termomekanik proses rotaları verilmiştir.
Talo 1. AA3104 ün kimyasal ileşim oranlarının (ağırlıkça %) standard ile karşılaştırılması Alaşım (%) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al AA3104(EN) 0,60 0,80 0,05-0,25 0,8-1,4 0,8-1,3-0,25 0,10 Kalan AA3104(Numune) 0,171 0,389 0,130 0,865 1,316 0,048 0,002 0,036 96,810 [4]. Talo 2. AA3104 alaşımı için seçilen prosesler. Proses Rota Kodu 1 7,20 mm 4,35mm 480 C 8 saat 1mm 410 C 3 saat 0,20 mm 410 C 3 saat 2 7,20 mm 4,35mm 550 C 8 saat 1mm 410 C 3 saat 0,20 mm 410 C 3 saat 3 7,20 mm 5,80mm 480 C 8 saat 1mm 410 C 3 saat 0,20 mm 410 C 3 saat 4 7,20 mm 5,80mm 550 C 8 saat 1mm 410 C 3 saat 0,20 mm 410 C 3 saat 7,20 mm dökülen u levhalar %20 ve 40 deformasyon sonrası ikili el haddesinde 1 mm kalınlığa inceltilmiştir. 1 mm kalınlığındaki levhaların 410 0 C de ara tavları yapılmış ve devamında 0,20 ve olarak nihai kalınlıklarına indirilmiştir. Levhalar H0 kondüsyonuna getirilmiştir. Zwick Z50 çekme cihazıyla mekanik mukavemetleri ve uzama değerleri tespit edilmiştir. Zwick Z20 cihazıyla erichsen derinliği ulunmuştur. Tav işlemlerinde Protherm marka laoratuar tipi ısıl işlem fırını kullanılmıştır. 220 500 1200 2400 4000 numaralı SiC zımparalama kağıtları ve 3µm elmas 1µm silika parlatma solusyonları ile metalografik olarak parlatılmış ve Barker çözeltisi ile elektrolitik olarak dağlanmış numunelerin Olympus PME3 optik mikroskou ile mikroyapıları incelenmiştir. 3.SONUÇLAR ve TARTIŞMA 3.1Döküm halindeki levhaların mikroyapısı Sürekli dökümde malzeme levha kalınlığı oyunca heterojenlik göstermektedir. Bu heterojenliğin asıl nedeni katılaşma esnasında oluşan soğuma gradyanıdır. Yüksek katılaşma hızları nedeniyle, sıvı metal döküm merdanelerine teması sırasında aşırı doymuş ölge oluşmaktadır. İMD yönteminde merdaneler arasında geçmeye zorlanan sıvı metal katılaşma gerçekleşirken aynı zamanda da deforme edilerek uzamış ve DD döküm yapısına göre oldukça küçük taneli istenilen kalınlıkta dökme levhalar elde edilmektedir [3]. a 200 µm 200 µm Şekil 1. Döküm halindeki levhanın üst yüzey ve merkez tane yapısı. Oklar ile işaretleniş ölge aşırı doymuş ve çok küçük taneli ölgeyi göstermektedir.
Şekil 1 de görüldüğü üzere aşırı doymuş ölge kalınlığı yaklaşık 300 µm kalınlığındadır. Aşırı doymuş ölgede oluşan tanalerin ayırt edilmesi oldukça zordur ve u ölge özelliksiz (featureless) olarak ilinir. Bu ölgede oluşan intermetalikler çok küçük oyutludur. Dökme levhanın merkezine doğru ilerledikçe soğuma gradyanına ağlı olarak taneler ve intermetaliklerin oyutları üyümektedir. Dökülen levhanın kalınlığı 7,20 mm olduğu için levha merkezinde (Şekil 1 ) elirgin ir merkez hattı segregasyonuna rastlanmamıştır. IMD yöntemiyle üretilen AA3xxx alaşımlarının yapılarının incelendiği çalışmalarda kalınlık oyunca mikroyapının oldukça heterojen olduğu gözlenmiştir. Merkezinde üst yüzeye oranla daha iri taneler ulunmaktadır. Üst yüzeyin yapısı daha ufak ve uzamış tanelerden oluşmaktadır [5]. 3.2 Termomekanik işlemler sonrası mikroyapı ve mekanik özellikleri İMD yöntemiyle üretilmiş levhalar 4,35 ve 5,80 mm kalınlığa soğuk haddeleme yöntemiyle haddelenmiş ve tav fırınında aynı sürede farklı sıcaklıkta homojen tav prosesi görmüştür. Ardından 1 mm kalınlığa haddelenmiş ara tavlanıp 0,20 mm nihai kalınlığa getirilmiştir. a 200 µm 200 µm c 200 µm 200 µm d Şekil 2. Isıl işlem ve soğukhaddeleme sonrası 0,20 mm malzemelerin tane yapısı (a)1.proses ()2.proses (c) 3.proses (d) 4.proses
a c d Şekil 3.İkiz merdane yöntemiyle üretilmiş üretilen AA3104 alaşımlı 0, 20mm kalınlıkta H19 malzemelerin mekanik özellikleri. (a)1.proses ()2.proses (c) 3.proses (d) 4.proses a c d Şekil 4. İkiz merdane yöntemiyle üretilmiş üretilen AA3104 alaşımlı 0, 20mm kalınlıkta H0 malzemelerin mekanik özellikleri. (a)1.proses ()2.proses (c) 3.proses (d) 4.proses
Talo 4. İkiz merdane yöntemiyle üretilmiş üretilen AA 3104 0,20 mm H19 ve H0 malzemelerin Erichsen değerleri ve AA 3104 0,20 mm H0 malzemelerin dikey ve düzlemsel anizotropi sonuçları. Proses Kodu Erichsen Derinliği(mm) H19 Erichsen Derinliği(mm) H0 1 2,87 4,55 2 2,96 4,88 3 2,79 4,50 4 2,73 4,43 R(Dikey Anizotropi) H0 0,49 0,48 0,60 0,55 0,46 0,50 0,51 0,52 0,48 0,56 0,46 0,50 R(Düzlemsel Anizotropi) H0-0,115 0,005 0,035 0,010 Sürekli dökümde malzeme levha kalınlığı oyunca heterojenlik göstermektedir. IMD yöntemiyle üretilen levhaların döküm mikroyapıları incelendiğinde üst yüzeyde merkeze göre daha ufak ve uzamış taneler görülmüştür. IMD yöntemiyle, DD döküm yapısına göre oldukça küçük taneli istenilen kalınlıkta dökme levhalar elde edilmektedir. Mekanik özellikler incelendiğinde prosesler arasında çok elirgin ir fark ulunmamaktadır. Akma mukavemeti sonuçlarına aktığımızda 290-320 MPa aralığında olduğu görülmektedir. İçecek kutuları ile ilgili yapılan çalışmalarda akma mukavemetinin 280 MPa civarında olduğu prosesin en az kulaklanma olduğu sonuçları vermiştir [2]. Homojen tav sıcaklığının artması ile akma ve çekme değerlerinin azaldığı görülmektedir. Hem H19 hem H0 kondüsyonları için; 1 ve 2. proses ile 3 ve 4. proses sonuçlarını kendi içlerinde kıyasladığımızda daha yüksek homojen tav sıcaklığı görmüş olan malzemelerin daha düşük akma ve çekme mukavemetine sahip olduğu görülmektedir. Malzemelere uygulanan tav sıcaklığının artmasıyla, akma ve çekme mukavemeti değerleri düşerken, uzama değerleri artmaktadır [6]. Al-Mg alaşımları deformasyona ağlı olarak sertleşme gösterirler [7]. 1 (4,35 1mm) ve 3. proses (5,80 1mm) ile 2 (4,35 1mm) ve 4. prosesleri (5,80 1mm) kendi içlerinde incelediğimizde homojen tav sonrası artan deformasyon miktarı ile çekme ve akma mukavemetlerinin yükseldiği görülmüştür. Derin çekileilirlik için çekme, akma mukavemeti ve uzama değerleri levhanın davranışını tanımlamada yeterli değildir. Bu seeple yapılan Erichsen deneyi derin çekileilirlik hakkında ilgi vermektedir. Erichsen derinliği arttıkça malzemenin derin çekileilme kailiyeti artmaktadır [8]. Erichsen sonuçları incelendiğinde 2.prosesin (550 C ve 4,35 1mm) derinliğin en yüksek olduğu görülmektedir. Erichsen derinliğinin diğerlerine göre daha yüksek olması derin çekileilirlik kailiyetinin daha iyi olaileceğini göstermektedir. IMD yöntemiyle ilgili yapılan çalışmalarda homojen tav sıcaklığının artmasıyla mikroyapının ince ve eş eksenli ir yapıya doğru dönüştüğü görülmüştür. İnce ve eş eksenli mikroyapıya sahip malzemelerin de derin çekileilirliğinin daha iyi olduğu tespit edilmiştir [6,9]. Bu çalışmadaki mikroyapıları incelediğimizde homojen tav sonrası daha düşük deformasyona sahip ve homojen tav sıcaklığı daha yüksek olan 2. proseste yapının daha ince ve eş eksenli olduğu görülmüştür. 1. prosesin tane yapısı 2. prosese göre
daha üyüktür. 3 ve 4. prosesler de kendi içinde incelendiğinde homojen tav sıcaklığı daha yüksek olan 4. prosesin daha ince ve eş eksenli yapıya sahiptir. Düzlemsel anizotropi, içecek kutuları gii derin çekilmiş kaplarda kulak oluşumuna yol açar. Düzlemsel anizotropi katsayısı sıfıra yakın olan proseslerde derin çekileilirliğin daha iyi olduğu söyleneilir. Düzlemsel anizotropi katsayıları incelendiğinde sonucu sıfıra en yakın prosesin 2. Proses (0,005) olduğu görülmektedir. Düzlemsel anizotropinin pozitif olarak çıkması kulakların 0 ve 90, negatif olarak çıkması kulakların 45 yönünde meydana geleceğini göstermektedir. Al alaşımlarıyla ilgili çalışmalarda dikey anizotropinin artmasıyla derin çekileilirliğinin de artış gösterdiği görülmüştür. Alüminyum için dikey anizotropinin 0,60-0,85 aralığında kalması durumunda derin çekileilirliğinin iyi olduğu tespit edilmiştir [10]. Bu çalışmadaki dikey anizotropi değerleri 0,60 a yakın olduğu gözlenmiştir. 4.GENEL SONUÇLAR -IMD yöntemiyle üretilen levhaların döküm mikroyapısı eklendiği üzere levha kalınlığı oyunca heterojenlik göstermektedir. -Uygulanan homojen tav sıcaklığının artmasıyla irlikte akma ve çekme mukavemetlerinin azaldığı ve mikroyapının daha ince ve eş eksenli ir yapıya dönüştüğü görülmüştür. -Erichsen derinliğinin en yüksek olduğu proses homojen tav sıcaklığının yüksek (550 C 8 saat) ve homojen tav sonrası deformasyonun düşük proses (4,35 1mm) olan 2. prosestir. -Düzlemsel anizotropinin sıfıra en yakın olduğu proses ve mikroyapının ince ve eş eksenli olduğu proses 2.prosestir. 2.prosesin u sonuçlardan dolayı içecek kutuları için en iyi şekillendirileilirlik özelliğini vereceği düşünülmektedir. 5. TEŞEKKÜR Yüksek lisans çalışmasına verilen finansal destek için İTÜ BAP irimine ve katkılarından dolayı Sn. Eda DAĞDELEN e, Sn. Aziz GEDİKLİ ye, Sn. Halil SEZEN e, Sn. Tolga FİDAN a teşekkür ederiz. 6.GELECEK ÇALIŞMALAR Proses denemeleri yapılarak farklı ara tav sıcaklıklarının da şekillendirileilirliğe etkisi incelenecektir. 7. KAYNAKLAR [1] Q.Zeng, Evolution of Textures and Microstructers and Its Effect on Mechanical Properties in CC AA3004 and 5052 Al Alloys. 2009, 40-41 [2] S. Palmer, R. Sanders, B. Steverson, L. Morgan, United States Patent 19. 1993 [3] N. Dogan, Ö. Keleş, M. Dündar, 12. Metalurji ve Malzeme Kongresi. 2005 [4] TS EN 573-Bölüm 3, Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları Biçimlendirileilen Mamüllerin Kimyasal Bileşimi ve Şekli. 2008 [5] H. Kim, M. Huh, N. Park, Y. Chung, Metal and Materials International. 2003, 413-419 [6] W.C. Liu, Z. Li, C.S. Man, Materials Science and Engineering. 2008, A478,173-180 [7] Y. Birol, Effect of Processing on Microstructure, Texture and Mechanical Properties of Twin Roll Cast 5754 Sheet, Materials Science and Technology. 2006, 993 [8] L. Çapan, L. ve C. Demir, Alüminyum Levhalarda Derin Çekileilirlik ve Mekanik Özellikler Arasındaki İlişkiler.1995 [9] H. Huang, B. Ou, C. Tsai, Materials Transactions. 2008, 250-259 [10] G. Tarantino, Anisotropic and Heterogeneous Behaviour During Plastic Deformation. 2012/2013.