ALÜMİNYUM ve Al- ALAŞIMLARI Alüminyum ve Al- Alaşımları, demir esaslı alaşımlardan sonra, kullanımı en yaygın endüstriyel malzemelerdir.
Geniş kullanım alanlarında tercih edilmesi, bir çok önemli teknik özellikleri bünyesinde toplamasıyla ilgilidir: Hafiftirler ( Özgül ağırlığı: 2,7 g/ cm 3 ) ; Genel olarak korozyon dayanımları yüksektir Elektrik iletkenliği yüksektir ( iletkenlik/yoğunluk oranı (özgül iletkenlik) bakırınkinden yüksek ), Özellikle plastik deformasyon yeteneği -genel olarak işlenebilme kabiliyeti- yüksektir, kolay işlenebilirler; Alüminyum alaşımları yaşlandırma sertleştirmesine uygunluğu ile teknik kullanımda özel çözümler arz ederler (perçin üretimi ve perçinleme işlemi gibi); Alüminyum alaşımlarının mukavemet/yoğunluk (özgül mukavemet) değerleri yüksektir; Dekoratif amaçlı yüzey işlenebilirliği (anodik oksidasyon vb.) bu alaşımların kullanım alanını genişleten diğer bir özelliğidir.
Al- alaşımlarını, işlenebilirliği de içine alarak, genel özellikleri, yararlanılan mekanizmalar ve kullanım yerleri itibariyle gruplandırmak doğru olacaktır: Korozyona dayanımı esas olan (korozyona dayanıklı) Al- alaşımları; Yüksek mukavemetli (yaşlandırılabilir) Al- alaşımları; (Döküme uygun) Al- Döküm alaşımları; (Plastik deformasyona uygun) Al- Dövme alaşımları.
Saf Alüminyum Saf alüminyumun bazı temel özelliklerini somutlaştırmak istersek - Özgül ağırlık (yoğunluk) : 2,7 g/cm3 - Ergime sıcaklığı : 660 o C - Isıl genleşme katsayısı : 23,1 µm/(m K) (25 C'de) - Elektrik direnci : 26,50 nω m (20 C'de) Isıl işlemlere ve yöne bağlı olarak geniş bir aralıkta değişen özellikler, haddeleme ve yumuşatma tavlamasından sonra, Elastiklik modülü : 65000 70000 N/mm 2 Çekme mukavemeti : 70 140 N/mm 2 Akma Dayanımı (R p0,2 ) : 20 30 N/mm 2 Kopma uzaması : 30 50 % Kopma büzülmesi : 80 95 % Sertlik : 15 25 HB30 mertebelerindedir.
Yukarıda bahsedilen özellikleriyle saf alüminyum, teknik malzeme olarak, özellikle korozyon dayanımı ve yüzey kalitesi yüksek olması gereken parçaların üretiminde öncelikle kullanılır (oto-farları ve diğer yansıtıcılar, kimya ve gıda endüstrisinde kullanılan çeşitli kutular, kaplar ve ince yapraklar (folye: 4 20 µm), elektronik sanayinde özel iletkenler gibi).
Korozyon dayanımı yüksek Al- alaşımları Alüminyumun korozyona dayanıklılığı (paslanmaz çeliklerde olduğu gibi) yüzeyin koruyucu ve sıkı bir oksit tabakasıyla (Al 2 O 3 ) kaplanmasından ileri gelir. Havada veya sulu çözeltili ortamlarda, kolaylıkla, yüzey bölgesinde oluşan bu tabaka, parçayı oksitlenmenin devamından korur; oksitleyici kimyasalların (nitrik asit gibi) alüminyum kaplarda taşınımı ve korunması - üstelik daha kararlı bir koruma tabakası oluşumu ile- mümkündür. Koruyucu tabakanın genellikle mekanik yüklemelerle (çizme ve aşınma zorlanmaları gibi) bozulması halinde, kullanım ortamında hemen yenilenir. Çok ince olan bu doğal oksit tabakası ( 10-5 mm), korozif koruyuculuğun devamı için, mekanik zorlanmalardan uzak tutulur, hattâ kuvvetlendirilir; tabaka sıkılaştırılır ve kalınlaştırılır (alüminyumun elektrolitik oksitlenmesi yoluna gidilir: Anodizasyon, Eloksal).
Saf alüminyumdan başka korozyon dayanımı yüksek malzemeler olarak, Al-Mn, Al-Mg, Al-Mg-Mn alaşımlarının kimya ve gıda sanayisinde kullanımı maliyetleri de dikkate alındığında- gereklilik arz eder
Korozyon dayanımları yanında, bu alaşımların toksik olmayışları özellikle gıda sanayinde (pişirme kapları ve kazanlarının imali gibi), iyi deformasyon yeteneği ile paketleme sanayinde içecek kutuları, sarma yaprakları (folyolar) üretiminde, mukavemetleri ve dekoratif görünümleri ile de bina ve gemi inşaatlarında ve diğer konstrüksiyonlarda kullanımları ön plana geçer. Al-Mg, Al-Mg-Mn alaşımlarının gemi inşaatında veya bu ortamda çalışacak parçaların üretiminde kullanılmaları, özellikle deniz suyuna dayanımları nedeniyle de, tercih edilir.
Yaşlandırılabilir (yüksek mukavemetli) Al- alaşımları Bu alaşımların sertlik ve mukavemetlerinin artırılması yaşlandırma ısıl işlemiyle gerçekleştirilir. Alüminyumun, sertlik, akma ve çekme mukavemetlerini artırmak amacıyla, Cu, Zn Mg, gibi elementlerle yaptığı yaşlandırılabilir alaşımlar, diğer özelliklerden ziyade mukavemetin ön plana geldiği taşıyıcı profiller ve parçalarların üretimiyle, makina ve inşaat konstrüksiyonlarında kullanılırlar. Alaşım elementlerine göre çok farklı özellik grupları oluşabilir.
Al-Cu-Mg ve Al-Cu-Si-Mn alaşımları Özellikle diğer alüminyum alaşımlarının mukavemet özellik beklentileri bakımından yeterli olmadığı yerlerde tercihen kullanılırlar; bakırdan dolayı korozyona daha az dayanıklı bu alaşımların korozif ortamlarda da kabul edilebilir bir teknik ömre ulaştırılması, katodik koruma veya ince saf alüminyum plakalarla (çoğu zaman birlikte haddelenerek) giydirilmesi ile mümkün olur. Bu alaşımların teknik kullanımında sadece yüksek mukavemetlerinden değil, aynı zamanda yaşlandırma safhalarından da yararlanılmış olur ve Duralümin ticari isimli ( %4 Cu içeren) alaşımlardan uçak sanayinde levha, boru yarı mamullerinin kullanımı ve özellikle perçin uygulamaları gibi: Malzemeye (perçine) aşırı doymuş katı eriyik (yumuşak ve sünek) aşamasında plastik şekil verildikten sonra yaşlandırılır (sert, mukavemetli ve fakat gevrek).
(Al 2 Cu)
Bu alaşımların yaşlandırma ısıl işlemi ile sertleşmeleri; CuAl 2, CuAl 2 Mg gibi sert intermetalik fazların, çok ince ve homojen olarak dağılmış biçimde çökeltilmesiyle gerçekleştirilir. bunun sonucu olarak da darbe dayanımları yüksektir ve katı eriyiğe alma sürecinde de çözülmeyen Mg 2 Si partikülleri yüzünden aşırı yaşlanma meyilleri düşüktür (daha yüksek kullanım sıcaklıklarına dayanıklıdırlar).
Al-Zn-Mg-Cu alaşımları, %4 6 Zn; %2 4 Mn; %0,4 2 Cu mertebelerindeki alaşım elementleri kompozisyonu ile, uygun yaşlandırma sonunda Alalaşımları içerisinde en yüksek mukavemete sahiptirler. ( R m 550 600 N/mm 2 ). Korozyon dayanımları pek yüksek değildir (bu bakımdan çoğu kere saf Al- giydirilmiş olarak kullanılır). Kaynak edilebilirliği iyidir: Al-Zn-Mg alaşımlarına (kaynak kabiliyeti kazandıran) bu en önemli davranış farklılığı, katı eriyiğe alma sıcaklık aralığının nispeten yüksek oluşunda ( 350 500 o C) ve eriyen alaşım elementlerinin düşük soğuma hızlarında bile, oda sıcaklığında, aşırı doymuş katı eriyik içinde kalmalarında yatar.
Al-Zn-Mg-Cu alaşımları, uçak endüstrisine, dövme parçaların ve fışkırtma (ekstrüzyon) ile yarı mamullerin üretimine uygundur. Diğer özellikleri yanında özellikle yüksek mukavemete sahip oluşlarından, uçak, otomobil ve köprü konstrüksiyonlarında ve yüksek statik gerilmelere maruz (öncelikle basma gerilmelerine çalışan) makine elemanlarının imalinde kullanılırlar. Al-Li alaşımları, her ne kadar endüstriyel kullanım bakımından geliştirme aşaması tamamlanmış sayılmasa da, özellikle ağırlık tasarrufu ( %10) ve yaklaşık aynı oranda E- modülünde kaydedilen artışlar (rijitlik kazanımı) yüzünden, teknolojik uygulamalarda vazgeçilemeyecek Al-alaşım grubunu oluştururlar ( alaşımın özgül elastiklik modülü (E/ρ) artışı: %20; ρ Li = 0,534 g/cm 3 ).
Al-Mg-Si alaşımları ise, hem korozyon dayanımı hem de mukavemet bakımından tatmin edici özellik kombinasyonuna sahiptirler: Korozyon dayanımları, yaşlandırılamayan (çökelti partikülleri içermeyen) alaşımlarınkilere yaklaşırken, mukavemetleri de Al-Zn-Mg ve Al-Cu-Mg alaşımlarının kullanım alanları doğrultusundaki yerlerde uygulama bulabilecek düzeydedir (R m 150 350 N/mm 2 ) : Yapı malzemeleri olarak (pencere, kapı gibi), taşıt veya diğer makine konstrüksiyonlarında kullanılan başka profillerin ve kimya sanayinde iletim veya depolama ünitelerinin üretiminde bu alaşımlardan yararlanılır. Genellikle Mg ve Si oranları düşük (Mg 2 Si oluşmasına yarayacak kadar) tutulur (%Mg 0,4 1,4 ; %Si 0,3 1,5 mertebesinde). Silisyum oranının artırılması halinde ( %11) aşınma dayanımı -genel olarakartar (aşınma dayanımı yanında ısıl genleşme katsayısının da düşmesiyle bu alaşımlar piston üretimine uygun düşer). Bu gruptan özel bir alaşım (E-AlMgSi) mukavemetinin ve elektrik iletkenliğinin yüksekliği ile dikkat çekicidir (saf alüminyumunkilerin, sıra ile, 3 katı ve %80 i mertebesinde).
Alüminyum Döküm Alaşımları Bu alaşımların genel ortak özellikleri, dökülebilme yetenekleri nin yüksek oluşlarıdır. Alaşım grupları hem döküm özellikleri hem de diğer özellikler bakımından kendi aralarında da önemli farklıklar gösterebilirler. Genel döküm özelliklerinin iyi olması ise, ötektik bölgesi alaşımlarının bilinen katılaşma davranışları ile ilgilidir: - Sabit sıcaklıkta katılaşır: Sıvı halde akışkanlıkları (ve kalıp doldurma yetenekleri) yüksek. Karışık şekilli parçaların, pratik anlamda boşluksuz, gözeneksiz üretimi sağlanır. - Katılaşma aralıkları çok küçüktür: Büzülme (kendini çekme oranı) düşük. Büyük kesit farklılıkları içeren parçaların çatlaksız, en az içgerilmeli, homojen (segregasyon ihmal edilebilir) üretimi mümkün.
Al-Si alaşımları Her şeyden önce döküm özellikleri en iyi alaşım grubundandır. Yapıya bir miktar Mg (%0,2 0,8 ) veya Cu (%1,2 4 mertebesinde) katılması ile alaşım, ısıl işlemle (yaşlandırma ile) sertleştirilebilir hale gelir (Örnek olarak, G-AlSi 10 Mg alaşımı, yaşlandırma ile R m 310 350 N/mm 2 mertebesine ulaşılan mukavemet değeri ve yüksek dökülebilme yeteneği (%Si değeri oranı ötektik oran civarında) ve korozyon dayanımları ile çeşitli motor parçaları üretimlerine teknik ve ekonomik uygunluk gösterir). %11 13,5 mertebesinde Si içeren alaşımlar (G-AlSi 12) ise daha düşük mukavemetli (R m 250 N/mm 2 ) fakat üstün döküm özelliğine sahip olmaları ile ince cidarlı, karışık şekilli parçaların imalinde tercih edilirler.
Al-Si-Cu alaşımları, da döküm özellikleri iyi ve (yaşlandırma ile) sertleştirilebilen alaşım grubundandır (G-AlSi 8 Cu 3 gibi). Ötektiküstü alaşımlar da, otomotiv teknolojisinde sınırlı alanlarda da olsa, yoğun kullanıma sahiptirler (sözgelimi %25Si ve %5Cu içeren Al- alaşımı, motor silindirleri üretiminde kullanımı yaygındır). Aslında, düşük yoğunluğu (merkezkaç kuvveti düşük) ve ısı iletim katsayısının yüksekliği nedeniyle, alüminyum esaslı alaşımlar, motor silindirleri gibi yüksek ivmeli hareketlerle çalışan parçaların üretimine esasen uygun olur. Ancak yüksek sıcaklıkta ve yüksek hızla izafi (kayma esaslı) hareket eden parçalar için gerek duyulan diğer özellikler alaşım elementleri tarafından karşılanır.
Si oranının yüksek oluşu, alaşıma - sıcaklıkta mukavemetini koruma, - döküm özelliklerini daha iyileştirme yanında, - yüksek aşınma dayanımı ve - Fe- esaslı malzemelerle (genellikle grafitli dökme demirlerle) eş çalışması durumunda, -motorlarda olduğu gibi- önem arzeden, uygun ısıl genleşme katsayısı sağlar.
Ancak, yüksek oranda Si içeren tüm alaşımlarda, ötektik katılaşma sırasında oluşan nispeten kaba, keskin köşeli veya iğne şeklinde diyebileceğimiz (birincil ve/veya ötektik içi) Si-kristalleri, gerilme yığılmalarına ve çentik etkilerine yol açarlar, malzemenin mukavemetini düşürür ve gevreklik verir; ayrıca aşınma dayanımını kötüleştirirler. Bu bakımdan ince cidarlı parçalar ya kokil dökümle üretilir (kaba Siiğneli katılaşmaya izin verilmez) veya genel olarak sıvı alaşıma az miktarda Na (metalik veya tuz halinde) veya Sr katılır.
Al-Mg alaşımları, %2 11 mertebesinde Mg içermeleri ile bir yandan korozyon dayanımları kazanırken (özellikle deniz suyuna karşı), diğer yandan da, dekoratif -renkli- ve koruyucu anodik oksitleme işlemlerine uygunluk kazanırlar. Ayrıca mekanik özelliklerinin iyi oluşlarıyla da (R m 310 350 N/mm 2 ) gemi inşasında -pencere profilleri veya makine parçaları üretimine- uygun düşerler.
Bu alaşımlarda, α -fazı sıcaklığa bağlı bir artışla %15 oranına kadar Mg eritebildiği halde, sertlik ve mukavemet artışı, intermetalik çökelti fazları oluşumu (Al 3 Mg 2 - partikülleri) ile değil, katı eriyik sertleşmesi ile sağlanır. Tam tersine bu ara fazlarının (özellikle tane sınırlarında çökelmiş olmaları, hem korozyon dayanımını düşürür (taneler arası korozyon ve gerilme korozyonu teşvik edilir), hem de alaşımı gevrekleştirir. Bu bakımdan Al-Mg alaşımlarının döküm işlemlerinde, ötektik noktanın sağladığı döküm tekniği öncelik ve iyiliklerinden ve döküm sonrası yaşlanma sertleştirmesi mekanizmalarından yararlanılmaz.
Bunun yerine döküm alaşımları, yine kabul edilebilir dar katılaşma aralığı gösteren, fakat β- (Al 3 Mg 2 ) fazları oluşumunun korozyon dayanımı ve tokluğa negatif etkilerini, tane içerisi küçük çökelti parçacıkları oluşturarak minimuma indirebilmek amacıyla, α-katı eriyiği bölgesi içerisinde kalacak şekilde seçilir ( %2 11 Mg ).
Soğuk deformasyonla sertleşebilen Al- alaşımları Yaşlandırma ile sertleştirilmesi, çeşitli nedenlerle mümkün olmayan bazı homojen yapılı Al- alaşımları soğuk plastik şekil verme ile sertleştirilebilirler ve pekleşmeden sonra -başka bir ısıl işleme tabi tutulmaksızın- doğrudan kullanıma alınırlar. Esas alaşım elementi magnezyum (%Mg (%1 2) ve ayrıca Si (%0,5 0,8) içerebilirler. 7) olup bir miktar Mn Yapıda manganın ve özellikle silisyumun bulunması mukavemet artışına katkı sağlayacaktır (çekme dayanımları soğuk plastik deformasyonla 350 N/mm 2 mertebelerine kadar çıkarılabilir). Bu dövülebilen alaşımların Mg içermeleri, korozyon dayanımlarını - özellikle deniz suyuna karşı- daha da artırır: Gemi ve taşıt konstrüksiyonlarında, gıda sanayinde kullanıma elverişlidir.
Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu alaşımları ise, genel olarak plastik şekil verilebilme yetenekleri yanında ısıl işlemlerle sertleşebilen (çökelme sertleştirmesi) ve farklı kullanım şekilleri (perçin gibi) kazanan, ama korozyon dayanımları -ayrışan intermetalik fazlar yüzünden- nispeten düşmüş olan, yüksek mukavemetli alaşım gruplarıdır.
Bunun yerine döküm alaşımları, yine kabul edilebilir dar katılaşma aralığı gösteren, fakat β- (Al 3 Mg 2 ) fazları oluşumunun korozyon dayanımı ve tokluğa negatif etkilerini, tane içerisi küçük çökelti parçacıkları oluşturarak minimuma indirebilmek amacıyla, α-katı eriyiği bölgesi içerisinde kalacak şekilde seçilir ( %2 11 Mg ).
Alüminyum alaşımlarına uygulanan yaşlandırma ısıl işleminin uygulama esasları Alüminyum alaşımlarının yaşlandırma (çökelme) sertleştirmesinin uygulanması sırasındaki iç yapıdaki ve mekanik özelliklerdeki değişimlerin açıklanmasına yardımcı olacağı düşünülen grafik çizimler aşağıda sunulmuştur.
(Al 2 Cu)
Yararlanılan Kaynaklar: 1- Mühendislik Malzemeleri Prof.Dr.-Ing. A.Halim DEMİRCİ Alfa-2004 2- Malzeme Bilgisi Cilt-II Prof. Dipl. Ing. H-J. BARGEL & Prof. Dr. Ing. G. SCHULZE Çevirenler : Prof. Dr. Şefik GÜLEÇ & Doç. Dr. Ahmet ARAN Gebze-1987