www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (4) 45-52 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilen Fe- Cu Çiftinin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi Rıza KARA, Hüseyin VİRDİL, Fatih ÇOLAK, Süleyman TAŞGETİREN Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Afyonkarahisar Özet Bu çalışmada, iki farklı malzemenin difüzyon kaynağı ile birleştirilmesi araştırılmıştır. Bu amaç için AISI 1020 çeliği ve elektrolitik bakır malzemeleri seçilmiştir. Bakır ve çelik malzemelerin difüzyon kaynağı için sıcaklık, basınç ve süre ana parametreler olarak dikkate alınmıştır. Deneyler, atmosfer korumalı düşey bir fırında argon gazı atmosferinde ve izostatik yük altında gerçekleştirilmiştir. Kaynak öncesi birleştirilecek numune yüzeyleri metalografik olarak hazırlanmıştır. Difüzyon kaynağı ile yapılan birleştirme işleminden sonra kaynak bölgesinin mikro yapı incelemesi, çekme deneyi, darbe deneyi ve sertlik ölçümü yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Difüzyon Kaynağı, Mekanik Özellikler, Farklı Malzemeler 1. Giriş Difüzyon kaynağı, uygun atmosfer ortamında birbirleriyle temasta olan yüzeyler arasında minimum makroskobik deformasyon ile belirli bir süre, ısı ve basınç uygulayarak kontrollü difüzyon ile oluşturulan bir katı hal kaynağıdır [1,2,6]. Sabit halde atom difüzyonu yolu ile metalürjik bağlantının oluştuğu difüzyon kaynağı soğuk pres kaynağının aksine, rekristalizasyon sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda, daha az basınç kuvveti ve şekil değişimi ile çalışılır [3]. Difüzyon kaynağı aynı veya farklı malzeme çiftlerinin birleştirilmesinde kullanılır. Bu yöntem, uçak ve uzay sanayisi ile nükleer teknoloji için geliştirilmiştir. Bu tür alanlarda, kesitlerin ulaşılabilir yerlerde olmaması veya malzemelerin farklı olması gibi nedenlerle alışılagelmiş kaynak yöntemlerinin kullanılması mümkün değildir. Aynı malzemelerin difüzyon kaynağında, esas malzemenin dayanım değerlerine yaklaşık olarak ulaşmak mümkündür [4]. Birbirleriyle kırılgan metaller arası faz oluşturan malzemeler, ergime sıcaklıkları ve elastiklik sınırları çok farklı malzemeler, metal ve metal olmayan malzemeler de bu yöntemle birleştirilebilir [5]. Difüzyon kaynağının özellikle uçak ve uzay sanayinde, harp sanayinde kullanılması nedeniyle bu alandaki teknolojik gelişmeleri önemli ölçüde artırmıştır. Ayrıca çeşitli kompozit ve inorganik malzeme sıfatıyla kullanılan alternatif malzemelerin gelişimini de önemli ölçüde etkilemiştir. Bu kaynak yöntemini gerçekleştirebilmek için teknolojik gelişmişliğin yeterli derecede olması gerekir. Bu şartı sağlayan imkanlar yerine getirildiğinde elde edilen kaynak verimi oldukça yüksek olacaktır. Difüzyon kaynağının temel parametreleri sıcaklık, basınç ve süredir. Bununla beraber birleştirilecek parçaların yüzey şartları, kaynak atmosferi ve soğuma hızı kaynak kalitesine etki eden önemli parametrelerdir. Sıcaklık, oksidasyona, deformasyon miktarına, allotropik dönüşüme, tane boyutuna, yeniden kristalleşmeye ve kaynak işlem süresini doğrudan etkilediğinden difüzyon kaynağı için en önemli parametredir. Aynı çift malzemeler için difüzyon işlem sıcaklığı yaklaşık olarak ergime sıcaklığının 0,5 0,7 katı olarak alınmaktadır [8,9,10]. Ay vd, alüminyum ve bakır malzeme çifti ergime olmadan sürtünme ve difüzyon kaynakları ile birleştirilmiştir. Birleştirilen kaynaklı malzemelerin mekanik özellikleri ve mikroyapıları incelenmiştir. Her iki birleştirme yönteminin analizleri sonucunda difüzyon kaynağı uzun zaman almakta buna karşın düzgün görünüşlü bir kaynak
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilen Fe- Cu Çiftinin Mekanik Özellikleri bölgesi elde edilmiştir. Kaynak bölgesinin mukavemeti saf alüminyumun mukavemetinden düşük olduğu tespit edilmiştir [7]. Çelik vd, argon koruyucu gaz atmosferinde difüzyon kaynağı ile birleştirilen saf bakır ve alüminyum metal çiftinin bağlanma kabiliyeti araştırılmıştır. Yapılan difüzyon kaynağı birleştirmelerinde en başarılı sonucu 560 o C sıcaklıkta, 4,5 MPa basınçta ve 60 dakikalık sürede elde edilmiştir [11]. Bu çalışmada, ara tabakasız olarak kaynatılabilen AISI 1020 çelik ve bakır çiftinin mikroyapı ve mekanik özelliklerine kaynak parametrelerinin etkisi incelenmiştir. 2. Deneysel Çalışmalar 2.1 Difüzyon Kaynağı Numunelerinin Hazırlanması Deneylerde kullanılan AISI 1020 çeliğinin spektro analiz sonuçları Tablo 1 de ve bakır malzemelerin spektro analiz sonuçları ise Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 1. Deneyde kullanılan çelik malzemesinin spektro analiz sonucu Malzem C Si Mn P S Cr Mo Ni B Co Cu Ti W e Çelik (Ç1020) 0,21 7 0,23 0,62 2 0,3 0,3 0,08 1 0,34 0,95 0,01 8 0,02 0,06 9 0,00 7 0,21 8 Tablo 2. Deneylerde kullanılan bakır malzemelerin spektro analiz sonuçları Malzeme Si Mn Ni Al Cu Fe Bakır 1 0,056 0,039 0,02 0,02 99,86 0,019 Bakır 2 0,008 0,002 0,002 0,004 99,90 0,026 Spektro analiz sonuçlarına göre çelik malzemesinin düşük karbonlu ve düşük alaşımlı bir malzeme, iki çeşit kullanılan bakır malzemesinin ise elektrolitik bakır olduğu gözlemlenmiştir. Bakır ve Çelik malzemelerin difüzyon kaynağı için sıcaklık, basınç ve süre ana parametreler olarak alınmıştır. Bu parametrelerin başlangıç değerleri seçimi ise her bir numune çifti için değiştirilmiştir. Deney işleminde numunelerin birleştirilmesi ve incelenmesi iki gurupta yapılmıştır. Bu gruplandırmada kaynak parametreleri önemli rol oynamıştır. Tablo 3. Birinci grup deney parametreleri. Sıcaklık, o Süre, C Basıç, Bar Dk. 900 30 10 900 30 15 900 30 20 1. Grup: Bu gurupta sıcaklık ve basınç parametreleri sabit tutulup kaynak bekleme süresi değiştirilmiştir. Tablo 4. İkinci grup deney parametreleri. Sıcaklık, o Süre, C Basıç, Bar Dk. 850 30 15 800 30 15 750 30 15 2. Grup: Bu grupta basınç ve süre parametreleri sabit tutulup sıcaklık parametresi değişken olarak dikkate alınmıştır. 46
Kara, R., Virdil, H., Çolak, F., Taşgetiren, S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Difüzyon kaynağı için bakır ve çelik numunelerin yüzeyleri 120 1200 SiC aşındırıcılı zımparalar ile zımparalanmıştır. Zımparalama işlemi sonrası numune yüzeyleri alümina solüsyonunda parlatılarak metalografik olarak hazırlanmıştır. Metalografik olarak hazırlanan numune yüzeyleri Şekil 1 de gösterilmiştir. 2.2 Difüzyon Kaynağı Şekil 1. Difüzyon kaynağı için hazırlanmış numune yüzeyleri. Numuneler metalografik olarak parlatıldıktan sonra etil alkol ile yıkanıp kurutulmuştur. Difüzyon kaynağı ile birleştirilecek olan numuneler difüzyon kaynak fırını içindeki özel aparat yardımıyla düşey konumda sabitlenmiştir. Bu sabitleme işlemi hidrolik basınç uygulama pompası ile sağlanmış ve kaynak işlemi gerçekleştirilmiştir. Difüzyon kaynağı için hazırlanan deney düzeneği Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Difüzyon kaynak donanımının şematik görünümü. Kaynak işlemi süresince, numuneleri havanın olumsuz etkilerinden korumak için %99,9 saflıktaki argon gazı kullanılmıştır. Kaynak işleminde numuneler fırın içerisinde argon koruyucu gaz atmosferi altında 500 o C ye kadar kontrollü olarak soğutularak kaynak işlemi tamamlanmıştır. 3. Deney Sonuçları 3.1 Mikroyapı Analiz Sonuçları Difüzyon kaynağı sonrası mikroyapı incelemeler ve mekanik özelliklerin tayini için test numuneleri hazırlanmıştır. Mikroyapı analizleri için numuneler 120 den başlanarak 1200 e kadar SiC grid zımparalar ile zımparalanmıştır. Bir sonraki aşamada alümina solüsyonlu parlatma işlemlerine tabi tutulmuştur. Parlatılan numunelerin dağlanması için solüsyonlar hazırlanmıştır. Çelik kısmın dağlanması için %3 NH 3 ve %97 etil alkol karışımından oluşan nital ve bakır kısmın dağlanması için ise 5 gr FeCl 3 ve 10 ml saf su karışımı kullanılmıştır. Çelik ve bakır çiftinin mikroyapı analiz sonuçları Şekil 3 de gösterilmiştir. 47
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilen Fe- Cu Çiftinin Mekanik Özellikleri (a) (b) (c) (d) (e) (f) Şekil 3. Difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş çelik-bakır çiftinin mikro yapı analiz sonuçları (100X). (a) 750 0 C-15dk, (b) 800 0 C-15dk, (c) 850 0 C, (d) 900 0 C-10dk, (e) 900 0 C-15dk, (f) 900 0 C-20dk. Mikroyapı fotoğraflarında, artan sıcaklıkla beraber en belirgin olarak bakır ın aşırı tane büyümesi görülmektedir. 750 0 C de gerçekleşen deneyde bakır tanelerinin kısmi rekristalizasyona maruz kalıp plastik deformasyonun etkisiyle ikizlenme oluşumuna yol açtığı ve tanelerin poligonal şekli aldığı görülmüştür. Bu tür değişmeler YMK kafese sahip olan bakır ın kayma düzlemlerinin HMK ya göre daha fazla olmasından dolayı daha kolay oluştuğu bilinmektedir. Bakırın ergime sıcaklığı olan 1083 0 C ye yaklaştıkça yeniden kristalleşmenin hızı artmış ve aşırı tane irileşmesine yol açtığı görülmüştür. Tane irileşmesi, normalizasyon olarak tabir edebileceğimiz bir sıcaklıkta (900 0 C) şiddetli olarak artmıştır. 48
Kara, R., Virdil, H., Çolak, F., Taşgetiren, S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Kaynaklı metal çiftinin çelik kısımda 750 0 C de ki sıcaklık rekristalizasyon sıcaklığının üzerinde olup artan sıcaklıkla beraber çeliğin de rekristalizasyon hızı artmış ve deformasyon bantlarını takip eder şekilde yeniden kristalleşmiş taneler görülmüştür. 900 0 C de işlem gören numunelerde çelik kısmında yeniden kristalleşmenin tamamlandığı, ara yüzeyde tanelerin poligonal şekil alarak rekristalizasyon olayının gerçekleştiği görülmüştür. 3.2 Çekme ve Sertlik Deneyi Sonuçları Kaynak işleminden sonra numuneler çekme deneyine tabi tutulmuştur. Çekme deneyi için numuneler Şekil 4 te gösterilen ölçülerde hazırlanmıştır. Şekil 4. Çekme deneyi numunesi. Çekme deneyi sonucunda en sağlam birleştirmelerin 800 850 0 C de 15 dakika beklenen difüzyon kaynaklı numunelerin olduğu gözlemlenmiştir. Deney sonunda bu iki numune birleştirmenin bakır bölgesinden kopmuştur ve diğer numunelere göre daha fazla uzama göstermişlerdir. Diğer numuneler ise birleştirmenin kaynak bölgesinden kopmuşturlar. Çekme dayanımı açısından kaynaklı birleştirmelerde kopmanın kaynak bölgesi dışında olması istenmektedir. Bu durum Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5. Numunelerin çekme deneyi sonucu kopma şekilleri. Şekil 6 da çekme deneyine tabi tutulmuş olan numunelerin gerilme-şekil değiştirme diyagramı gösterilmiştir. 49
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilen Fe- Cu Çiftinin Mekanik Özellikleri 400 350 Gerilme (MPa) 300 250 200 150 100 50 0 Bakır 900-10 900-15 900-20 850-15 800-15 750-15 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Şekil Değiştirme (%) Şekil 6. Difüzyon kaynaklı numunelerin çekme deneyi sonuçları. Çekme deneyi sonucu elde edilen diyagramlardan kaynatılmış numunelerin sabit olarak 150 MPa da ki şekil değiştirmeleri göz önünde bulundurularak Elastise modülleri hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 5. Kaynatılmış olan bakır ve çelik numunelerin elastise modülleri. Numuneler Elastise Modülleri (MPa) Bakır 120,000 Çelik 200,000 Kaynatılmış numuneler 135,000 Difüzyon kaynağı ile birleştirilen çelik-bakır çiftleri sertlik ve darbe deneyine tabi tutulmuştur. Sertlik deneyinde, çelik ve kaynak bölgeleri Rockwell A, bakır bölgesinin ise Brinell skalası ile sertlik ölçümü yapılmıştır. Sertlik deneyine tabi tutulan numune Şekil 7 de gösterilmiştir. Şekil 7. Sertlik deneyine tabi tutulan numune şekli. Sertlik ölçümleri sonucunda doğası gereği yumuşak bir malzeme olan bakırın sertliğinin düşük olduğu, çelik bölgesinin sertliğinin bakırdan daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Kaynak bölgesinin sertliği ise çelik ve bakır kısmından daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Sertlik deneyi sonucu elde edilen sertlik değerleri Tablo 6 da gösterilmiştir. 50
Kara, R., Virdil, H., Çolak, F., Taşgetiren, S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Tablo 6. difüzyon kaynağı ile birleştirilen çelik-bakır çifti numunelerin sertlik değerleri Sertlik Değerleri Numuneler Çelik (HRA) Bakır (HB) Kaynak Bölgesi (HRA) 900 0 C-10dk 52,75 57,9 17,5 900 0 C-15dk 49,86 55,8 13,5 900 0 C-20dk 54,85 62,4 28,5 850 0 C-15dk 55,4 56,8 18,4 800 0 C-15dk 53,3 54,8 18,7 750 0 C-15dk 54,05 57,9 17,0 Darbe deneyi için difüzyon kaynağı ile birleştirilen numunelere kaynak bölgesinin çentik vazifesi göreceği düşünülerek çentik açma gereği duyulmamıştır. Darbe deneyi sonucunda en yüksek dayanımı 800 0 C de 15 dakika da yapılan kaynaklı birleştirme sergilemiştir. Tablo 7 de darbe deneyi sonucunda elde edilmiş olan darbe direnç değerleri gösterilmiştir. Tablo 7. Difüzyon kaynağı ile birleştirilen numunelerin darbe deneyi sonuçları Numuneler Darbe direnci (Joule) 900 0 C 10 dk 6,1 900 0 C- 15 dk 4,6 900 0 C- 20 dk 6,2 850 0 C- 15 dk 8,8 800 0 C- 15 dk 16,5 750 0 C- 15 dk 9,5 3. Genel Sonuçlar ve Tartışma Yapılan çalışmalar sonucunda mikroyapı incelemesinde bakır ve çelik dağlayıcılarının birbirine karışması ve özellikle bakır dağlayıcısının çelik bölgesine kötü etkisiyle çelik tarafının kararmasına neden olmuştur. Bu durum içyapının net bir şekilde görülmesine engel olmuştur. İçyapının tam olarak görülebilmesi için mikroyapı analizinin SEM mikroskobunda yapılması daha uygun olacaktır. Mikroyapı analizleri sonucunda artan sıcaklık ve süre ile çelik ve bakır malzemelerinde tane irileşmesi söz konusu olmuştur. Özellikle 900 0 C de yapılan kaynak işleminde ergime sıcaklığına yaklaşıldığından bakır malzemesindeki tane boyutu şiddetli olarak artmıştır. Bu durum çekme ve darbe deneyi değerlerinin daha düşük çıkmasına neden olmuştur. Çekme ve darbe deneyi sonuçları dikkate alındığında 800 0 C sıcaklıkta 15 dakika da birleştirilen numuneler en iyi mekanik özellikleri sergilemiştir. Sertlik analizleri sonucu bakır bölgesi YMK kafesli doğası gereği en yumuşak bölge olarak tespit edilmiştir. Kaynak birleşme bölgesinin sertlik değerleri açısından en düşük sertliğe sahip olduğu gözlemlenmiştir. Genel olarak yapılan analizler sonucunda sıcaklık, basınç ve süre gibi deney parametrelerini göz önüne alındığında, difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş numuneler içerisinde en iyi özellikleri 800 0 C de 3 N/mm 2 basınç altında 15 dakika beklenen numunelerin sergilediği gözlemlenmiştir. Bu durumda bu deney şartlarının üstündeki sıcaklıklara çıkılmasının bir avantajı olmamaktadır. 51
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) 45-52 Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilen Fe- Cu Çiftinin Mekanik Özellikleri Kaynaklar 1. Anık, Selahattin., 1996, Kaynak Tekniği, Birsen Yayınevi. 2. Albom, M. J., 1964, Solid state bonding, Welding J., p. 491-504. 3. Gedik Eğitim Yayınları, Kaynak Teknolojisi, sf. 320-336. 4. Kaynak Teknolojisi İkinci Sempozyumu, 1999, sf.21-226. 5. Mühendis Makine Dergisi,1994, Kaynak Özel Sayısı. 6. Taşgetiren, S., Aslantaş, K., Çakmakkaya., 2004, Difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş bakır ve çelik levhalarda birleşme hatasının kırılma mekaniği ile analizi, Makine Teknolojik Araştırmalar Dergisi, 9-16. 7. Ay, İ., Çelik, S., Çelik, İ., 2000, Alüminyum ve bakır çubukların sürtünme ve difüzyon kaynağı özelliklerinin karşılaştırılması, 8. Denizli Malzeme Sempozyumu, 264-273. 8. Opara, V.S., Demidenko, L.Yu., Yurchenko, E.S., 1991, Heat effect on contact pressure between tube and tube lattice, Tyazheloe Mashinostronie, pp. 26. 9. Yokota, T., et al., 1996, Solid Phase Welding of Alloy AA6061 and SiC -p Reinforced Alloy AA6061 at intermediate temperature, Materials Science Forum, V. 242, pp. 225-230. 10. Kurşungöz, N., Kurşungöz, H., 1996, Difüzyon Kaynağı, Uluslararası Kaynak Teknolojisi Sempozyumu. 11. Çelik, S., Ay, İ., 1996, Koruyucu gaz altında difüzyon kaynağı ve uygulaması, J. of Engineering and Environmental Science, 63-70. 52