6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Ergitme Yöntemi İle Üretilen Alüminyum Köpüklerde Değişik Oranlarda SiC ve Al 2 O 3 İlavesinin Köpürme Üzerindeki Etkisi İ. Yavuz *, M. S. Başpınar **, H. Bayrakçeken * * Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Mak. Eğt. Böl., Afyon/TÜRKİYE ** Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Met. Eğt. Böl., Afyon/TÜRKİYE iyavuz@aku.edu.tr Effect Of Different Ratio SIC and AL 2 O 3 Addition On The Foaming Of Aluminum Foams Produced By Melting Route Abstract The main objective of this study is to investigate the effect of SiC and Al 2 O 3 addition on the foaming of aluminium based metallic foam produced by melting route. Marble powders were used as a foaming agent at a constant weight ratio of 10 gr and different amount of SiC and Al 2 O 3 (2.5, 5.0, 7.5, 10.0 gr) were mixed to the melt. Then the mixture was hold in furnace at 830 o C for 5 minute for the foaming. After foaming process, samples were taken from the furnace and cooled in normal atmosphere. Effect of addition on the density, pore size, pore shape and cell wall structure were investigated. It was concluded that 5gr addition resulted in better pore structure and higher foaming. SiC containing samples showed more homogenous and better foaming than the Al 2 O 3 containing samples. Keywords Al foam, Foaming agent, CaCO 3, SiC, Al 2 O 3 I. GİRİŞ Teknolojinin gelişmesine paralel olarak günümüzde malzeme teknolojisi de gittikçe gelişmektedir. Bu gelişme sonucunda son yıllarda dikkat çeken malzemeler arasında metalik köpük malzemeler yer almaktadır. Metal köpükleri rijit, %75-90 ı gözenek olan saf metal ya da alaşım halindeki malzemelerdir. Metalik köpükler çok farklı mekanik özelliklere sahiptirler. Metal köpükleri gözenekli yapılarından dolayı düşük özgül ağırlıkları, yüksek dayanım/ağırlık oranları ve çok iyi enerji absorbe etme kabiliyeti gibi avantajlı özellikleri nedeniyle son yıllarda popülaritesi artan malzemeler haline gelmiştir [1]. Bu özelliklerinden metalik hücreli malzemelerin yapısal kullanım alanları arasında otomotiv, demiryolu ve inşaat endüstrileri, uzay araçları, gemi ve spor malzemeleri yapımı ve biyomedikal uygulamalar; işlevsel kullanım alanları arasında ise filtreleme ve ayırma, ısı dönüştürücü, soğutma sistemleri, elektrokimyasal uygulamalar, su arıtma, sıvı muhafaza ve iletimi gibi uygulamalar sayılabilir. İki tip köpük malzeme vardır; açık hücreli ve kapalı hücreli köpük metaller. Özellikle kapalı hücreli yapılar otomotiv, havacılık ve diğer endüstri uygulamaları için idealdir. Döküm şeklinde kalıplanıp üretilebilirler. Bunun 121 anlamı, açık hücreli yapıda bulunmayan bir dış kabuk ile şekillendirilmiş olmalarıdır. Açık hücreli yapılar özellikle pil elektrotları ısı değiştiriciler ve filtreler için uygundur [2]. Özellikle alüminyum esaslı metalik köpükler, çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanım alanı bulabilen malzemeler olarak son yıllarda oldukça ilgi çekmektedir. Alüminyum köpükler, darbe enerjisini şekil değiştirerek (ezillerek) plastik enerjiye dönüştürebilirler ve birçok metalden daha fazla enerji absorbe edebilirler. Tüpler içerisine dolgu malzemesi olarak konulduklarında emilen toplam enerji köpük ve tüpün ayrı ayrı emdiği enerjinin toplamından daha büyüktür [3,4]. 1.1 Metalik Köpük Üretim Yöntemleri İlk yıllarda, metalleri köpükleştirmek için, günümüzde de kullanılan iki yönteme başvurulmuştur. Bunlardan birincisi ergitme yöntemi, ikincisi ise toz metalurjisi yöntemidir [5,6]. Ergitme yöntemi ile üç şekilde köpük üretilebilir. Dışarıdan ergiyik içerisine gaz enjekte etmekle, ergiyik metal içerisinde gaz oluşturacak köpürtücü maddelerle veya ergiyik içerisine önceden ilave edilmiş köpürtücü maddelerin belirli ortamlarda köpük oluşturmasıyla yapılabilir [7]. Ergitme ve döküm yöntemi ile metalik köpük üretimi başlıca üç aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada köpürtülecek metal veya alaşım ergiyik hale getirilir. İkinci aşamada gözenekli yapı oluşturmak için gaz veya köpürtücü madde ilave edilir. Üçüncü aşamada soğutma işlemi yapılarak ergiyik metal katı hale getirilir [8]. Ergiyik metal içerisinde gaz kabarcıkları oluşturularak yapılan köpük üretiminde, sıvının yüksek kaldırma kuvvetinden dolayı yüzeye hızlı kabarma eğiliminde olan gaz kabarcıklarıyla metalik köpük şekli oluşmaktadır. Aşırı derecede yüksek viskozite, kabarcıkların düzeninin bastırılmasına neden olurken, aşırı derecede düşük viskozite kabarcıkların hızlı yüzdürülmesine sebep olur [9]. Bu yüzden köpürtme süresince ergiyik metalin viskozitesinin kontrolü çok önemlidir. Metalik köpük üretiminde köpürtücü madde olarak genellikle ZrH 2 veya TiH 2 kullanılır. Kalsiyum karbonat,
İ. Yavuz, M. S. Başpınar, H. Bayrakçeken kalsiyum hidrür, kalsiyum-magnezyum karbonat, kalsiyum sülfat, demir sülfat, kurşun karbonat, kurşun oksit ve sodyum nitrit gibi diğer alaşımlar ise bazı sıcaklık ve basınç şartları altında kullanılabilir. Köpürtücü maddenin, köpürüp köpürmeyeceği, arzu edilen yoğunlukta olup olmayacağı, köpürtücü maddenin ayrıştığı zaman serbest kalan gazın ayrışma oranına bağlıdır [10]. Köpürtücü madde, köpürtülecek esas metal içinde kolayca dağılabilecek şekilde partikül, granül veya toz şeklinde olabilir. Toz Metalurjisi (TM) yöntemi, metal köpüklerin üretimi için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir ve bu alanda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu yöntemle, bilinen basit köpük üretiminin yanı sıra sandviç köpük, küresel köpük, içi boş kalıp veya profil içerisinde köpürtme yapılabilmektedir [11]. Bunlara ilave olarak köpük malzemenin mekanik özelliklerini artırmak amacıyla parçacık takviyeli köpük üretimi de yapılmaktadır. TM yönteminde metal tozları, köpürtücü madde (genelde TiH 2 ) ile karıştırılır ve preslenir. Köpürtme işlemi esnasında sıcaklığın artmayla yapı içerisindeki köpürtücü madde ayrışır ve gaz çıkışına neden olur. Ayrışma TiH 2 de yaklaşık 400 o C civarında görülür. Bu sıcaklık alüminyumun ergime derecesinin çok altındadır [12]. Ayrışma işlemi esnasında yüksek sıcaklıktaki metalde genleşme diğer bir değişle köpürme meydana gelir [13]. Bilindiği gibi ergiyik içerisine seramik parçacıkların ilave edilmesi, köpüğün yüzey gerilmesini ve sıvı metalin viskozitesini değiştirmektedir. Dolayısıyla ergiyik haldeki köpüğün kararlılığının bu özelliklere bağlı olarak geliştirilebildiği bilinmektedir [14]. Bu nedenle Al esaslı malzemelerle ağırlıklı olarak SiC, Al 2 O 3 ve çeşitli bor ihtiva eden parçacıklar ilave edilmektedir [15,16]. Bu yöntemlerin kombinasyonu mükemmel enerji sönümlemesi sağlamaktadır [15,17]. Şekil 1. Ergitme yönteminde izlenecek yolun şematik gösterimi Numune miktarı olarak sabit 200 gr ağırlık seçilmiştir. Malzemeler hassas bir şekilde terazide tartılmıştır. Şekil2 de ergitilmiş Al içersine katılmak üzere tozların hazırlık aşaması görülmektedir. 200 gr Al içersine ağırlıkça % 5 CaCO 3 katılmıştır. II. MATERYAL METOT Yapılan çalışmada ergitme yöntemi ve köpürtücü ajan tekniği kullanılmıştır. Üretim sırasında köpürtücü ajan olarak mermer tozu kullanılmıştır. Mermer tozu içersinde yüksek oranda kalsit vardır. Kalsit karbonatlı kayaçları oluşturan ve kimyasal formülü CaCO 3 olan endüstriyel bir mineraldir. Çeşitli şekillerde kristalleşebilen mineral, camsı parlaklıkta ve renksiz saydam yapıdadır. Öğütüldüğünde beyaz renkli bir toz elde edilir. Kalker ya da kireç taşı olarak adlandırılan karbonatlı kayaçlar suyun doğrudan kristalleşmesi veya deniz canlılarının kabuklarının birikip sıkışması ile oluşmuştur [18]. Kalsiyum karbonatın doğada bulunduğu kayaçlar içinde en yoğun bilinenleri, aragonit, kalsit, vaterit, tebeşir, kireç taşı, mermer ve travertendir. Afyonkarahisar bölgesinde de oldukça geniş bir alanda mermer bulunduğu için kalsiyum karbonat yerine köpürtücü ajan olarak mermer tozu kullanılmıştır. Şekil 1 da çalışma üretim için izlenen yol şematik olarak görülmektedir. 122 Şekil 2. Toz İçeriklerin Hazırlanması Daha sonra ergitilmek üzere 820 o C deki önceden ısıtılmış ergitme potaları içersine konularak fırına bırakılmıştır. Şekil3 de fırın ve fırın içersindeki ergitme potaları görülmektedir. Şekil 3. Fırın ve Fırın İçersindeki Ergitme Potaları
Ergitme Yöntemi İle Üretilen Alüminyum Köpüklerde Değişik Oranlarda Fırın içersindeki potalarda eriyen Al dışarı alınarak içine köpürtücü ajan ve katkılar dökülüp bir mikser aracılığıyla 40 s. süreyle karıştırılmıştır. Şekil 4 de ergitme işlemi sonunda tozlar katılmak üzere fırında dışarıya alınan pota içersindeki Alüminyum görülmektedir. 2.1 Numunelerin Üretimi.Bu çalışmanın ilk aşamasında metalik köpük üretiminde etkili köpürtücü ajan miktarı tespit edilmeye çalışmıştır. Şekil 5 de köpürtücü ajan olarak mermer tozu kullanılarak üretilmiş metalik köpükler görülmektedir. Mermer tozu miktarı arttıkça gözenekler belirli bir orana kadar artmakta ve daha sonra tekrar azalmaktadır. Ayrıca 20 gr mermer tozu kullanımında gözeneklerde bozulmalar meydana gelmektedir Çalışmalar sonucunda en fazla kabarma ve gözenek yapısı ağırlıkça 10 gr mermer tozu kullanılan numunelerde görülmektedir. A B A: Ergitme İşlemi Sonunda Fırında Dışarıya Alınan Pota İçersindeki Al Görünümü B:Soğumak Üzere Fırından Çıkarılmış Köpük Numune Şekil 4. Metalik Köpük Üretim Aşamaları Karıştırma tamamlandıktan sonra köpürme işlemini gerçekleştirmek üzere tekrar fırına konulmuştur. Fırında yaklaşık 5 dk. bekletildikten sonra elde edilen ürün havada soğumaya bırakılmıştır (Şekil 4 B). Köpürme işlemi üzeri açık metalik potalarda gerçekleştirilmiştir. Tablo1. SiC içeren numunelerin bileşim oranları A B C D Al (gr) 200 gr 200 gr 200 gr 200 gr SiC (gr) 2,5 gr 5 gr 7,5 gr 10 gr Mermer Tozu(gr) 5 gr 10 gr 15 gr 20 gr Şekil 6 da 10 gr mermer tozunun yanında belirli oranlarda takviye elemanı olarak SiC katılmıştır. SiC oranı arttıkça belirli bir orana kadar kabarma artmakta ve daha sonra tekrar azalmaktadır. En iyi sonuç 2,5 gr ve 5 gr SiC miktarlarında görülmektedir. A: 200 gr Al / 5 gr Mermer Tozu B: 200 gr Al / 10 gr Mermer Tozu C: 200 gr Al / 15 gr Mermer Tozu D: 200 gr Al / 20 gr Mermer Tozu Şekil 5 Alüminyum ve mermer tozu karışından oluşan metalik köpükler 123
İ. Yavuz, M. S. Başpınar, H. Bayrakçeken A:200 gr Al / 2,5gr SiC /10 gr Mermer Tozu B:200 gr Al / 5gr SiC /10 gr Mermer Tozu C:200 gr Al / 7,5gr SiC / 10 gr Mermer Tozu D:200 gr Al /10gr SiC /10 gr Mermer Tozu Şekil 6 Alüminyum, SiC ve mermer tozu karışından oluşan metalik köpükler Şekil 7 de ise SiC yerine Al 2 O 3 tozu kullanılmıştır. Köpürme işlemi SiC deki kadar olmamakla birlikte oran olarak benzer sonuçlarla karşılaşılmıştır. En iyi köpürme olarak 5 gr Al 2 O 3 katılan numunede elde edilmiştir. Al 2 O 3 miktarı arttıkça köpürme kötüleşerek homojen bir yapı elde edilememiştir. Tablo2. Al 2 O 3 katılan numunelerin bileşim oranları A B C D Al (gr) 200 gr 200 gr 200 gr 200 gr Al 2 O 3 (gr) 2,5 gr 5 gr 7,5 gr 10 gr Mermer Tozu(gr) 5 gr 10 gr 15 gr 20 gr A:200 gr Al / 2,5gr Al 2 O 3 /10 gr Mermer Tozu B:200 gr Al / 5gr Al 2 O 3 /10 gr Mermer TozuC:200 gr Al / 7,5gr Al 2 O 3 / 10 gr Mermer Tozu D:200 gr Al /10gr Al 2 O 3 /10 gr Mermer Tozu Şekil 7 Alüminyum, Al 2 O 3 ve mermer tozu karışından oluşan metalik köpükler 124
Ergitme Yöntemi İle Üretilen Alüminyum Köpüklerde Değişik Oranlarda Şekil 8 de ise üretilen metalik köpük üzerinden stereo mikroskop altında çekilmiş resmi görülmektedir. Üretilen metalik köpüğün hücre yapısını homojen bir şekilde olduğu ve köpürtücü ajan olarak katılan mermer tozlarının homojen dağılımı görülmektedir. Şekil 8.Gözeneklerin mikroskop altında görünümü III. SONUÇ ve ÖNERİLER Üretilen tüm numunelerin orta kısmında boşluk oluştuğu görülmektedir. Üretilen tüm numunelerin alt kısmında köpürmeyen bölgelerin olduğu tespit edilmiştir. Bu iki problemin, karıştırıcı profili ve fırın sıcaklığı değiştirilerek giderilebileceği düşünülmektedir. Ayrıca üretimde üstü açık potalar kullanıldığı için gaz çıkışı üste doğru olmakta bu nedenle de orta kısımda boşluk kalmaktadır. Kapalı potalar kullanılarak hem orta kısmındaki boşlukların hem de alt kısımda kalan köpürmeyen kısmın en aza indirilmesi Gözenekler planlanmaktadır. Numunelerde 10 gr mermer tozu oranı en iyi köpürme sonucunun verdiği tespit edilmiştir. Mermer tozu miktarı arttıkça hücrelerin parçalandığı görülmektedir. 10 gr ın altındaki miktarlarda ise yeteri miktar köpürme elde edilememiştir. SiC katılan numuneler Al 2 O 3 katılan numunelerden daha iyi bir köpürme elde edilmiştir Katılan takviye elemanı miktarları arttıkça köpürmenin kötüleştiği sonuçlarına varılmıştır. 4. Davies G.J., Zhan S., "Review metallic foams, their production, properties and applications", Mat. Sci, 18: 1899-1911,1983 5. Simone A. E., Gibson L. J., 1998, The Effects Of Cell Face Curvature And Coruscations On The Stuffiness And Strength Of Metallic Foam, Acta Materialla, 46: 3926-3935 6. Banhart J., 2000, Properties and Applications for Cast Aluminum Sponges, Adv. Eng. Mat., 2, 168 7. Yang C.C., Nakae H., 2000, Foaming characteristics control during production of aluminum alloy foam Journal of Alloys and Compounds, 313:188 191 8. Baumgartaer F., Duarte I., Banhart J., 2000, Industrialization of Powder Compact Foaming Process, Advanced Eng. Mat., 2 (4): 168-174 9. Simancik F.-, Reproducibility of aluminium foam properties, Int. Conference on Metal Foams and Porous Metal Structures, 14-16 June 99 Bremen Eds. J.Banhart, M.F.Ashby, N.A.Fleck, MIT Publishing, Bremen, p. 235-240. 10. Banhart J., 2001, Manufacture, Characterization and Application of Cellular Metals and Metallic Foams, Progress in Materials Science 46, 559-632 11. Stöbener K., Baumaster J., Lehmhus D., Stanzick H., Zöllner V., Compsite based on Metallic foams: Phenomenology; Production;Properties and Principles, Int. Conf. On Advanced Metallic materials, 5-7 Nov. 2003, Smolenice, Slovakia 12. Matijasevic-Lux B., Banhard J., Fiechter S., Görke O., Wanderka N., Modification of TiH 2 for improved Al foam manufacture, Acta Meterialia, 54 (2006) 1887-1900. 13. Esmaeelzadeh E., Simci A., Formability and compressive properties of AlSi7-3 vol.% SiC-0.5 wt.% TiH 2 powder compact, Materials Letters, 2007 14. Banhart J., Manufacturing routes for metallic foams, J. Met. 52 (2000) 22 27. 15. F. Yi, Z. Zhu, F. Zu, S. Hu, P. Yi, Materials Characterization 47 (2001) 417 422. 16. Güden M., Yüksel S., Si particulate Al composite foams produced from powder compact: foaming and compression behavior, J.Mater Sci, 41, 2006, 4075-4084 17. Ashby M.F., Evans A.G., Fleck N.A., Gibson L.J., Hutchinson J.W., Wadley H.N., Metal Foams: A Design Guide, 2000, pp. 151 169. 18.http://www.nigtasmikronize.com/turkce/index.php?option=com_content &t ask=view&id=55&itemid=71, 01.12.2010 TEŞEKKÜR Bu çalışmaya Bilimsel Araştırma Projesi (No: 09.TEF.06.) kapsamında destek sağlayan Afyon Kocatepe Üniversitesine teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. Ozan S., Çay V.V., SÇP ile Alüminyum Köpük Üretimi, Proceedings of 11th International Materials Symposium, Denizli/Turkiye., 714-717, 2006 2. Alulight International Gmbh, Alinium Foam Products, Product Technical Datasheet, 2006 3. Elbir S., Yılmaz, S., Güden, M.,"Kapalı hücre alüminyum köpük metallerin üretim metotları ve mekanik özellikleri", TMMO Metalürji Dergisi, 23 (120): 35-42, 1999 125