2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir AZ91 MAGNEZYUM ALAŞIMININ METALURJİK ÖZELLİKLERİNE KADMİYUM ELEMENTİNİN ETKİSİ Nurşen SAKLAKOĞLU*, Yiğit ERÇAYHAN** *nakbas@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45140-Manisa ** yigit.ercayhan@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Müh. Böl., 45140-Manisa ÖZET Bu çalışmada AZ91D magnezyum alaşımının mikroyapısına % 0,2-%0,8 oranlarında ilave edilen Cd elementinin etkisi incelenmiştir. Cd alaşım elementi ilave edilen AZ91D alaşımı 700 C de gravite yöntemiyle dökülerek elde edilmiştir. Mikroyapı sonuçları alaşıma ilave edilen Cd miktarı arttıkça Mg 17 Al 12 intermetalik fazının yapıda daha kopuk bir şekilde dağıldığı gözlenmiştir. Ayrıca Cd un ötektik fazın lameller yapısına da etki ettiği tespit edilmiştir. Anahtar Sözcükler: AZ91D, kadmiyum, metalurjik özellikler ABSTRACT In this study, the effects of Cd addition varied between 0,2-0,8 wt % on the microstructure of AZ91D magnesium alloy have been examined. AZ91 alloy was fabricated with addition of Cd elements by gravity casting at 700 C. The microstructure results showed that by increasing the amount Cd addition into AZ91D alloy, Mg 17 Al 12 intermetalic phase became refined and disjointed. Moreover, it was determined that Cd has effect on lamellar eutectic formation.. Key words: AZ91D, cadmium, metallurgical properties 1.GİRİŞ Magnezyum ve alaşımları günümüzde modern hafif yapılar için önemli bir malzeme olarak görülmekte ve bundan dolayı özellikle otomobil endüstrisinde giderek daha geniş bir kullanım alanına sahip olmaktadır. Magnezyumun yoğunluğu 1,7 g/cm 3 (alüminyumun yoğunluğu= 2,7g/cm 3, çeliğin yoğunluğu =7,8g/cm 3 ) olmasına rağmen alüminyum ile hemen hemen aynı dayanım değerlerine sahiptir (200 250 MPa). Ağırlık olarak Mg, Alüminyum (Al) dan %36, Demir (Fe) ve çelikten %78 daha hafiftir[1,2]. Mg temelli alaşımlar, düşük yoğunluk, yüksek dayanım, titreşim sönümleme özelliği ve iyi işlenebilirlik özelliklerinden dolayı; elektronik, uçak ve otomotiv endüstrisinde geniş 160
kullanım alanları bulmaktadır [1]. Özellikle, AZ91 alaşımı (Mg 9Al 0.8Zn 0.2Mn) %90 gibi bir kullanım alanıyla en fazla kullanılan magnezyum alaşımıdır [3]. Literatürde AZ91 alaşımına Ca, Sr, Sn, Si, Y, Pb ilavesinin AZ91 alaşımına etkilerini inceleme çalışmaları yapılmıştır[4-7]. Ünal ve arkadaşları [4] AZ91 magnezyum alaşımına Si alaşım elementini ekleyerek magnezyum alaşımına etkilerini incelemişlerdir. AZ91 alaşımına Si elementinin ilavesi ile alaşımın çekme ve akma dayanımı yükselmiştir. %0.3 Si ilavesinden sonra % uzamada ve sertlikte orantılı artış gözlenmiştir. Zhang ve arkadaşları [5] AZ91 alaşımına yitriyum elementi ilavesinin etkilerini incelemişler ve az miktarda yitriyum ilavesinin alaşımın tane boyutunda gözle görülür bir incelmeye neden olduğunu gözlemlemişlerdir. Mikroyapıdaki incelmenin alaşımın mekanik özelliklerini dikkate değer bir şekilde geliştirdiğini ve korozyon dayanımının arttığını göstermişlerdir. Koç ve arkadaşları [6] AZ91 alaşımına kalay elementi ilavesinin etkilerini incelemişlerdir. AZ91 alaşımına %0,5 e kadar Sn elementi ilavesi ile alaşımın çekme-akma dayanımını artırırken, % uzamasını bir miktar düşürmüş, sertlikte ise kayda değer bir değişme olmadığını gözlemlemişlerdir. Hirai ve arkadaşları [7] AZ91 alaşımına Ca ve Sr elementi ilavesinin etkilerini incelemişlerdir. % 0,5-%1 oranlarında ilave edilen Ca ve Sr elementinin AZ91 alaşımının tane boyutunu küçülttüğünü ve çekme dayanımını arttırdığını gözlemlemişlerdir. Bu çalışmada %0,2-%0,8 aralığında çeşitli oranlarda Cd elementi ilave edilerek alaşımın mikroyapı özellikleri ve akma dayanımı, sertlik, uzama gibi mekanik özelliklerin araştırılması amaçlanmıştır. 2.DENEYSEL ÇALIŞMA AZ91D alaşımı hazırlanması için 10 kilogram %99,95 saflıkta magnezyum, % 99,8 saflıkta 900 gr aluminyum, % 99,995 saflıkta 78 gr çinko ve 18 gr mangan kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar için seçilen Cd alaşım elementi AZ91D alaşımına %0,2, %0,4, %0,8 oranlarında ilave edilmişlerdir. Tablo 2.1 de deneysel çalışmalar için kullanılan alaşımların analizleri gösterilmektedir. Magnezyum alaşımlarının ergitilmesinde ve dökümünde ergitme ocağı kullanılmıştır. Magnezyum alaşımının dökümü 700 C de gerçekleştirilmiştir. Ergitme ocağında ergitilen magnezyum alaşımı çelik potaya gravite yöntemiyle dökülmüştür. Ayrıca magnezyum ve alaşımları döküm sıcaklıklarında atmosferle temastan dolayı alev almasını önlemek için döküm tozu kullanılmıştır. Tablo 2.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan alaşımların analizleri Bileşim Fe Si Mn Cu Ni Al Zn In Cd Mg AZ91D 0,002 0,016 0,18 0,014 0,001 9 0,78 - - Kalan 0,2 Cd 0,002 0,016 0,18 0,014 0,001 9 0,78-0,2 Kalan 0,4 Cd 0,002 0,016 0,18 0,014 0,001 9 0,78-0,4 Kalan 0,8 Cd 0,002 0,016 0,18 0,014 0,001 9 0,78-0,8 Kalan 161
Dökümü yapılan magnezyum alaşım külçesinden 30 mm çapında 10 mm kalınlığında numuneler çıkartılıp son işlem olarak 1 µm elmas pasta ile parlatılmıştır. Daha sonra parlatılan numuneler 20 ml alkol, 2 ml saf su ve 1 gr pikrik asit kullanılarak oluşturulan dağlama sıvısıyla dağlanmıştır ve CLEMEX dijital kamera ile desteklenen MEIJI-ML7100 metal mikroskobu ile mikroyapı fotoğrafları çekilmiş, Phillips XL-30S FEG marka taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı ve element analizi yapılmıştır. Ayrıca 20 3 mm boyutlarında silindirik numuneler hazırlanarak Phillips X Pert Pro marka X- Işınları Kırınım(XRD) cihazı ile yeni oluşan fazların analizi gerçekleştirilmiştir. Sertlik testi için 30 mm çapında ve 10 mm kalınlığında numuneler hazırlanmıştır ve BMS marka Brinell sertlik ölçme cihazında 62,5 kgf yük altında 2,5 mm çapındaki bilye uç ile sertlikleri ölçülmüştür. Basma testi için 20 20 mm boyutlarında silindirik numuneler hazırlanıp, Schimadzu Autograph 100 kn çekme-basma cihazında 2 mm/dak hızda basma testi yapılmıştır. 3.SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME 3.1. Mikroyapı AZ91D alaşımının mikroyapısı incelendiğinde, tipik dendiritik bir yapıya sahip olduğu ve yapıda α-mg matris fazının yanı sıra, diğer fazların tane sınırları boyunca dağıldığı Şekil 1 de görülmektedir. Literatürde AZ91D alaşımında α-mg matrisin yanı sıra β (Mg 17 Al 12 ) intermetaliği ve α+β ötektiği oluştuğu rapor edilmektedir [8-9]. Fazların tayini için XRD incelemesi yapılmış ve α-mg ve β fazlarının varlığı tesbit edilmiştir (Şekil 2). a) 4x büyütme b) 20x büyütme Şekil 1. AZ91D mikroyapı görüntüsü 162
Şekil 2. AZ91D alaşımının XRD grafiği Yapılan SEM-EDS çalışmasıyla iç yapıda α-mg matrisin yanı sıra tane sınırları boyunca uzanan β (Mg 17 Al 12 ) fazı ve yine tane sınırlarında tercihli olarak α+β ötektiği gözlemlenmiştir (Şekil 3-a). Katılaşma esnasında Al un katı-sıvı arayüzeyi tarafından itildiği ve tane sınırlarında zenginleştiği düşünülmektedir. Zenginleşen Al, α-mg ile ötektik yapıyı veya β fazını oluşturmaktadır (Şekil 3-b-c). β fazını oluşturmak için yeterli kompozisyona ulaşmayan bölgede ise aluminyumca zengin α-mg fazı meydana gelmektedir (Şekil 3-d. D Bölgesi). Zn α-mg ve β fazı içersinde çözünmüştür. Özellikle β fazı içersinde daha yüksek çözünürlüğe sahip olduğu Şekil 3-c de görülmektedir. α β α+β D a) AZ91D alaşımının SEM görüntüsü %Mg %Al %Zn %Mn (α) 94,43 3,45 1,75 0,00 %Mg %Al %Zn %Mn (β) 59,13 33,85 6,52 0,50 b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi 163
%Mg %Al %Zn %Mn (α+β) 87,77 9,88 1,93 0,41 %Mg %Al %Zn %Mn (D) 90,48 6,91 2,17 0,44 d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi Şekil 3. a)az91d alaşımının SEM görüntüsü b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi (Aluminyumca zenginleşmiş α-mg) EDS analizi Tipik dendritik yapıya sahip olan alaşıma kadmiyum ilave edildiğinde, Cd oranı arttıkça ağ şeklinde tane sınırlarında yer alan β fazının bozulduğu ve daha kopuk hale geldiği gözlemlenmiştir (Şekil 4). a) AZ91D b) AZ91D+%0,2 Cd c) AZ91D+%0,4 Cd d) AZ91D+%0,8 Cd Şekil 4. AZ91D alaşımına Cd ilavesinin mikroyapıya etkileri Şekil 5 te XRD grafiğine bakıldığında α-mg ve β intermetalik fazından başka magnezyumun, Cd ile alaşım içinde herhangi bir intermetalik bileşik oluşturmadığı gözlemlenmiştir. Bunun sebebi olarak Şekil 6 da Mg-Cd denge diyagramında da görüldüğü üzere Cd alaşım elementinin ilave edilen miktarlarına bağlı olarak α-mg fazı 164
içinde çözündüğü ve bu yüzden bileşik oluşturmamış olduğu olarak açıklanabilir. Öte yandan, EDS analizlerinde Cd un alüminyumca zengin bölgelerde daha fazla miktarda tespit edilmesi Cd un Al içersinde Mg a göre daha fazla çözündüğünü düşündürmektedir (Şekil 7, 8, 9). Cd ilavesinin ötektik lamellerin kalınlığına da etki ettiği tespit edilmiştir. Şekil 3a-Şekil 7a-Şekil 8a-Şekil 9a karşılaştırıldığında, Cd ilavesi belirli bir kritik değere kadar (%0,4 Cd) ötektik lamellerin kalınlaşmasına ve belirginleşmesine yol açarken, bu kritik değerden sonra ötektik lamellere etkisi olmadığı görülmüştür. Cd un AZ91 alaşımında ötektik lameller neden etki ettiği henüz araştırma aşamasındadır. Şekil 5. AZ91D alaşımının Cd ilavesi sonrası XRD grafiği Şekil 6. Cd-Mg denge diyagramı [10] β α+β D α a) AZ91D alaşımının %0,2 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü 165
(α) 93,62 3,35 1,47 0,50 1,06 (β)63,03 30,75 4,89 0,62 0,72 b) α-mg fazı EDS c) β fazı EDS analizi (α+β) 83,69 11.24 1,65 0,68 2,74 (D) 87,96 8,10 1,78 0,72 1,44 d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi Şekil 7. a) AZ91D alaşımının %0,2 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi β α α+ β D a) AZ91D alaşımının %0,4 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü (α) 91,22 4,16 1,36 0,95 2,48 (β) 62,80 31,32 4,62 0,43 0,82 b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi 166
(α+β) 88,06 8,28 1,94 0,50 1,22 (D) 89,77 6,69 1,63 0,65 1,27 d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi Şekil 8. a) AZ91D alaşımının %0,4 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi D α+ β β α a) AZ91D alaşımının %0,8 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü (α) 91,56 3,48 1,32 0,62 2,02 (β)58,30 34,08 5,55 0,56 1,51 b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi %Mg %Al %Zn %Mn Cd (α+β)79,05 14,92 2,96 0,51 2,56 (D) 89,04 6,37 1,73 0,49 2,37 d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi Şekil 9. a)az91d alaşımının %0,8 Cd ilavesi sonrası SEM görüntüsü b) α-mg fazı EDS analizi c) β fazı EDS analizi d) α+β fazı EDS analizi e) D bölgesi EDS analizi 167
4. SONUÇLAR XRD çalışması α ve β fazlarının varlığını göstermiş olup, Cd elementinin ilave edildiği miktarlarda alaşım içinde herhangi bir bileşik oluşturmadığı tespit edilmiştir. EDS analizleri Cd un çözeltide bulunduğunu ve özellikle alüminyumca-zengin bölgelerde daha fazla bulunduğunu göstermiştir. AZ91D alaşımına Cd ilavesi ile tane sınırlarında bulunan β (Mg 17 Al 12 ) intermetalik fazı daha kopuk ve dağınık hale gelmiştir. Cd un aynı zamanda ötektik yapıya etkileri tespit edilmiştir. 5. TEŞEKKÜR Bu çalışma Celal Bayar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından FBE 2009-104 no lu proje kapsamında desteklenmiştir. 6. KAYNAKLAR [1] GAINES, L, CUENCA, R, STODOLSKY, F, WU, S, Potential Automotive Uses of Wrought Magnesium Alloys, Automotive Technology Development, Detroit, Michigan, 1-7, (1996). [2] HOUSH, S, MIKUCKI, B, STEVENSON, A, Selection and Application of Magnesium and Magnesium Alloys, ASM HANDBOOK, 10th Edition, 2 : 455-479, (1998). [3] BLAWERT, C., HORT, N., KAINER, K. U, Automotive Applications of Magnesium and Its Alloys, Trans. Indian Inst. Met. Vol. 57: 397-408, (2004). [4] ÜNAL, M., KOÇ, E., TÜRENA, Y., GÜL, F., CANDAN, E., 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09),, Karabük, Türkiye (2009). [5] ZHANG, J., NIU, X., QIU, X., LIU, K., NAN, C., TANG, D., MENG, J., Effect of yttrium-rich misch metal on the microstructures, mechanical properties and corrosion behavior of die cast AZ91 alloy, Journal of Alloys and Compounds, 471, 322 330, (2009). [6] KOÇ, E., ÜNAL, M., TÜREN, Y., CANDAN, E., AZ91 Magnezyum Alaşımının Döküm ve Mekanik Özelliklerine Kalay Elementinin Etkisi, 5. Uluslararası Ileri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük, Türkiye (2009). [7] KINJI, H., HIDETOSHI, S.,YORINOBU, T., KENJI, H., Effects of Ca and Sr addition on mechanical properties of a castaz91 magnesium alloy at room and elevated temperature, Materials Science and Engineering A, 403 276 280, (2005). [8] S.F. LIU, B. LI, X.H. WANG, W. SU, H. HAN, Refinement effect of cerium, calcium and strontium in AZ91 magnesium alloy, Journal of Materials Processing Technology, Volume 209, Issue 8, Pages 3999-4004, (2009). 168
[9] CIZEK L, HANUS A, SOZANSKA M, TANSKI T, PAWLICA L, Structure Characteristics of Magnesium Alloys With Admixture of Aluminium, Silicon and Zirconium, Acta Metallurgica Slovaca, 13: 531-538, (2007). [10] Z. MOSER, W. GASIOR, J. WYPARTOWİCZ, AND L. ZABDYR, Alloy Phase Diagrams, Asm Handbook, (1984). 169