DEMİR DIŞI METALLER Doç. Dr. A. Fatih YETİM
Alüminyum ve Alaşımları Al un en önemli özelliği hafifliği ve dayanım / yoğunluk oranının çok yüksek olmasıdır. Ayrıca yüksek elektriksel iletkenlik / yoğunluk oranına sahipdir. Korozyona dayanıklı olmasının nedeni yüzeyinde pasif oksit tabakasından kaynaklanır. Al un elastisite modülü düşük, ısıl genleşme katsayısı ise çeliğin iki katıdır. Al YMK yapıya sahiptir, sünektir ve sıcak veya soğuk olarak şekil değiştirmeyle üretilebilirler. Asitlere karşı Korozyon direnci yüksek Yüksek iletkenliklerinden dolayı motorlarda kullanı
Alüminyum Alaşımları Saf Al yüksek korozyon direncine, düşük yoğunluğa ve dayanıma sahiptir. Dayanımı artırmak için alaşımlandırma yapılır. Alüminyumun en önemli alaşımlandırma elementleri Cu, Mg ve Si dur. Alüminyum Cu, Mg ve Si ile yaptığı alaşımları, alaşım içinde oluşan inter metalik fazlar sınırlar. Bu fazlar yapıyı çok gevrekleştirdiği için istenmez. Alüminyum alaşımları yaşlandırılabilirler. Al-Mg alaşımları (Dövme) deniz suyuna karşı yüksek korozyon direnci ve kolay şekillendirilebilirdik sergiler.
İmal Usulleri ve Al. Dövme Al alaşımları bilinen tüm sıcak ve soğuk şekil verme yöntemleri ile biçimlendirilebilir. Yumuşak Al alaşımlarından talaş kaldırılması kolaydır. Sert olanlarda ise takımın gördüğü direnç artmakla birlikte yüzey kalitesi iyileşir. Kesme hızını artırmak için özel Pb katkılı alaşımlar vardır. Kaynak işlemini ise yüzeyindeki oksit tabakası ve çatlama eğilimi sınırlar. Al un kaynağı MIG veya TIG ile yapılır. Burada dikkat edilecek husus Al un (-) kutba bağlanmasıdır. Bu sayede Ar veya Ar+He karışımındaki Ar veya He iyonları Al a çarparak üzerindeki oksit tabakasını kırar. Böylece kaynak edilebilirlik artar.
Al un kaynağından sonra dikişlerde çatlaklara rastlanır. Bu durum sıcak yırtılma sonucu yani soğuma sırasında katılaşma aralığı geçilirken meydana gelir. Not: Kaynak işleminde ısı girdisi fazla ve kaynak süresi uzunsa çatlama eğilimi artar. Çünkü soğuma süresi artar. Ötektik ve ötektiğe yakın bileşimlerde de katılaşma aralığı çok az veya yok olduğundan kaynaktan sonra çatlak beklenmez.
Titanyum ve Alaşımları Titanyum düşük yoğunluk, elastisite modülü, yüksek dayanım ve korozyon direncine sahip özel bir metaldir. Özellikle havacılık ve uzay sanayinde, yüksek güç motorlarında, kimyasal proses cihazlarında ve biyomedikal uygulamalarında çokça kullanılmaktadır.
Titanyumunum α, β ve α + β tiplerinde çeşitleri vardır. α HSP, β Kübik yapıya sahiptir. α HSP yapılı olduğu için soğuk şekillendirme kabiliyeti sınırlıdır. α HSP yapısı 882 C nin üzerinde HMK β yapısına dönüşür. Oda sıcaklığında bile alaşımlandırma ile HMK β yapısı elde edilebilir.
Titanyumun korozyon direnci yüzeyinde oluşan pasif oksit tabakasından dolayıdır. Titanyum oksitleyici asitlere, asit karışımlarına karşı dirençlidir. Titanyum ile üretim yapılırken oksijen ile yüksek oranda katı çözelti oluşturduğu için havada ısıl işlem ve sıcak şekil verme sırasında titanyum içerisinde yüksek oranda oksijen girebilir. Bu yüzden ısıl işlem ve sıcak şekil verme oksijen oranı dikkate alınmalıdır. Ayrıca titanyum içerisine difüze olan hidrojen titanyum hidrür meydana getirirse, titanyum hidrür çökeltisinin çentik etkisinden dolayı tokluk azalabilir.
Titanyum kaynağı daima asal gaz ortamında yapılmalıdır (TIG veya MIG). Kaynak bölgesi soğuyuncaya kadar hava ile temas etmemelidir. Çünkü hava ile temas sonucu oksijen ve azot absorbsiyonu yapıyı gevrekleştirebilir. Titanyumun talaşla kaldırılma özelliği kötüdür. Kesme hızı alaşımsız çeliklerin 1/20 si kadardır. Talaşlanımın tutuşma etkisi vardır. Sn, Zr ve O 2 HSP yapıyı, V, Cr, Fe ve Mo HMK yapının kararlılığını destekler.
Ti a %30 Al katkısı α β dönüşüm sıcaklığı 882 C den 1240 C ye çıkarken, %20 V ilavesi β fazının oda sıcaklığında bile bulunmasını sağlar. O 2, N ve C gibi arayer atomlarının HMK içindeki çözünürlüğü az olduğundan yüksek sıcaklık uygulamaları (Jet motorları) için α- Ti tercih edilir.
β- Ti, α Ti ya göre daha yüksek dayanıma sahiptir. Fakat daha ağırdır. Bu yüzden β ve α nın özelliklerini optimum yapan (β + α)-ti üretilmiştir. Ti6Al 4V alaşımı, (β + α)-ti alaşımlarına çökelme sertleşmesi uygulanabilir.
Magnezyum ve Alaşımları Magnezyumun yoğunluğu Al dan bile düşüktür. Fakat oksijene karşı ilgisi çok yüksek olduğu için talaşlı imalat, ergime ve döküm işlemlerinde kendiliğinden tutuşma durumuna karşı özel önlemler alma zorunluluğu vardır. Korozyona karşı dirençlidirler. HSP yapısı ve ikizlenme eğiliminin düşük oluşu çok kristal halde Mg un plastik şekil verme (PŞV) özelliğini güçleştirir. Polikristal yapıda doğrultuları farklı ve sadece taban düzleminde kayabilen taneler birbirlerini engeller ve kayma zorlaşır. Ancak 220 C nin üzerinde yeni kayma sistemleri aktif hale gelir ve bu sıcaklığın üzerinde PŞV kabiliyeti artar.
Oksiti reflektör malzeme olarak kullanılır. Döküm sonrası katılaşırken kendini fazla çektiğinden dolayı Mg da mikro gözenekler oluşur. İri taneli döküm yapısına, HSP kafesinden dolayı düşük sünekliliğe ve çentik duyarlılığına sahiptir. Mekanik özelliklerini artırmak için Al, Zn ve Mn katılır.
Mg alaşımlarında intermetalik fazlar bulunur. Bu fazların dağılımını sağlayıp s ü n e k l i l i ğ i i y i l e ş t i r m e k i ç i n homojenleştirme tavlaması uygulanır. Mg un yüzeyi nitrikasit ve potasyum bikromat karışımı ile dağlanırsa, dağlanma sonucu oluşan tabaka korozyona karşı daha dirençli hale gelir. Deniz suyu ile temas eden parçalar boyanmadan bu yöntem ile kullanılabilir.
Bakır ve Alaşımları Bakır gümüşten sonraki en iyi elektrik iletkenidir. Ancak kristal kafesi içinde yabancı atomların varlığı elektrik akımını bozarak elektronların hareketini engellediğinden katı çökelti oluşturan elementler iletkenliği düşürür. Isı ve elektrik iletkenliği birbirleriyle orantılıdır. Bu yüzden bakırın ısı iletkenliği de iyidir.
Bakır YMK yapıya sahiptir. Bu yüzden kolay şekil verilebilir ve oldukça sünektir. Fazla pekleşmemesi nedeniyle uygulanan yönteme göre %95 varan oranlarda tavlanmaksızın soğuk şekil değiştirebilir.
Yeniden kristalleşmesi düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Cu a katılan alaşım elementleri saf Cu ın dayanımını artırırken, sürünme hızının azalmasına yol açar. Bakırın ısı iletimi yüksek olduğu için kaynak yapımı güçtür. Gaz kaynağına sadece oksijeni giderilmiş türleri uygundur. Eğer yapıda oksit varsa ve atmosferde H2 varsa, hidrojen oksiti parçalayarak su buharı oluşturur ve oluşan buhar iç yapıda çok yüksek basınçlara neden olarak çatlak oluşumuna neden olur. Bu olaya bakırın hidrojen hastalığı denir. Bakırın yüksek sıcaklık dayanıklılığı ve talaşlı imalat kabiliyeti gibi özelliklerini iyileştirmek için bakırın ana karakterini bozmayacak oranda (<%5) alaşımlandırma yapılır. Bakır yaşlandırmaya uygundur. Yaşlandırma ile elektriksel iletkenliği düşmeden sertlik değeri artırılabilir. Bakır Organik asitli yiyecek ve içeceklerin hazırlandığı veya depolandığı yerlerde bakır yeşili (bakır asetat) denen bir yapı oluşturduklarından kullanılmazlar.
Bakır için temper kararlılığı ve yüksek sıcaklıklarda sürünme direnci istenen özelliklerdir. Not: Temper Kararlılığı: malzemenin sertlik ve çekme dayanımında %10 dan fazla düşüş olmadan belirli bir süre tutulabildiği sıcaklıktır. Cu Zn alaşımlarına pirinç denir. Pirincin bakıra göre dayanımı daha yüksektir. Cu Ni Zn alaşımlarına nikel gümüşü veya alman gümüşü denir. Kırılmaya karşı pirinçten daha dayanıklıdır. Pirinç ve Ni gümüşü gerilmeli korozyona dayanıksızdır. Bu yüzden kullanılmadan önce gerilme giderme tam uygulanmalıdır. Pirinç Pirinç Alman Gümüşü
v v v v Cu Sn alaşımlarına Bronz denir. Bronz dayanım, korozyon direnci ve aşınma gibi özellikleri bakımından pirinçten daha üstündür fakat daha pahalıdır. Bronzlar genel olarak 4 e ayrılır. Dökme kalay bronzları Alüminyum bronzları Mangan bronzları Silisyum bronzları
Dökme kalay bronzları Sn içeriği %13 tür. Bu oran %20 e çıktığında gevrekleşmeye başlar. Sadece çan üretiminde kullanılır. Alüminyum bronzları ise yüksek dayanımlı, deniz suyu, sülfürik asit ve tuz çözeltilerine karşı dirençlidirler. Mangan bronzları deniz suyu korozyonuna karşı dayanıklı ve titreşim sönümleme özelliğine sahiptir. Silisyum bronzları kimyasal kararlıdırlar ve kimyasal cihaz yapımında kullanılırlar. Cu ve Ni atom boyutları birbirlerine çok yakın oldukları için her oranda çözünebilirler. Katı çözeltinin elektrik direnci çözünen elementin miktarı ile artar. %50-50 olduğunda maksimuma ulaşır. Bu noktadan sonra artık diğer elementçe zenginleşme başlayacağından direnç yeniden azalır. Bu alaşımlar thermocouple yapımında kullanılırlar.
Nikel ve Alaşımları Ni, YMK yapılıdır ve bu yüzden sünek davranış sergiler. Özellikle mıknatıs malzemeleri ve takım çeliklerinde alaşım elementi olarak kullanılır. Saf Ni in en önemli özelliği korozyona karşı dayanıklı oluşudur. 360 nin üzerinde Ni ferromayetikliliğini kaybeder. YMK yapısı bu sıcaklığın üzerinde değişmemesine rağmen elektronların spin ve orbital hareketinin değişimi, ferromanyetik özelliğini kaybetmesine neden olur.
Saf Ni sülfür içeren cevherlerden üretildiğinden S içeriği plastik şekil verme özelliğini etkiler. Yüksek sıcaklıklarda S ün tane sınırlarına çökelmesi sıcak yırtılmaya neden olur. Ayrıca korozyonda yine bu çökelmelerden başlar. Bu kötü etkileri bertaraf etmek için Ni yapısına genellikle Mn katılır. Mn, sülfürü bağlayarak MnS oluşturur ve tane sınırında çökelmesini engeller. Saf nikel, sünekliğinden dolayı takıma sıvandığı için ancak düşük hızlarda işlenebilir.
Ni Cu Alaşımları %68 Ni - %30 Cu ve %2 Fe içeren alaşımlara Monel denir. Monel sülfirik asit ve diğer birçok kimyasal maddeye dirençlidir. Bu alaşımın korozyon direnci, sulu çözeltiler tarafından yüzeylerinde pasif bir tabakanın oluşturulmasına bağlı olup, tabaka kırılırsa yerel korozyon olayı olur. Kuvvetli oksitleyici tuzlar ve nitrik asit ile amonyak çöeltileri bu malzemeyi korozyona uğratır.
Yüksek sıcaklığa dayanıklı NiCr alaşımlarına Ti ve Al da katılabilir. Bu durumda Ti ve Al un yaşlanabilir olması, yüksek sıcaklıkta ve uzun sürelerde aşırı yaşlanma problemine neden olabilir. Nikelin korozyona karşı dayanımı yüksektir. Korozyon direnci Ni e Cr, Mo ve Cu ilavesi ile daha da artırılabilir. Bu alaşımlar kimyasal kararlılık olarak östenitik paslanmaz çeliklerden daha üstündür. %45 ten fazla Ni içeren bir malzemede gerilmeli korozyona hiç rastlanmaz. NiMoCr(Cu) alaşımı asitlere karşı dirençlidir. Bu alaşım kimya endüstrisinde çok kullanılır.
Ni, ferromanyetik bir malzemedir. Ancak manyetikliği Fe ve Co a göre azdır. Fe-Ni alaşımların da ise önce artan Ni miktarı ile manyetik alan şiddeti önce azalır %29Ni değerinde sıfıra iner. (Bu oranı içeren Fe-Ni alaşımlarının Curie Noktası oda sıcaklığına indiğinden, alaşım oda sıcaklığında %29 Ni değerininde ferromanyetik özelliğini kaybeder daha sonra tekrar artarak %50Nioranında maksimuma Bmax ulaşır. )
Not : Aşırı ısıl zorlama ile karşılaşılan malzemelerde çoğunlukla yüksek oranda (%50-70) nikel içeren alaşımlardan yararlanılır. Bu alaşımlara süperalaşımlar denir. Bu alaşımlara oksidasyon dayanımı sağlamak için %15 oranında krom (Cr) ilave edilir. Süperalaşımlar Ni veya Co esaslı ostenitik yapılı malzemelerdir. Yüksek sıcaklıklardaki dayanımlarını iç yapılarındaki karbür ve diğer ana bileşiklerin varlığına borçludurlar. süperalaşım süperalaşım
Kurşun ve Alaşımları (Pb) Ergime sıcaklıkları düşük olduğu için oda sıcaklığında bile RC olabilir ve sürünme hasarına uğrayabilir. Ergime sıcaklıkları düşük olmasına rağmen buharlaşması yavaştır bu yüzden döküm ve lehimde zehirlenmeye karşı tedbir alınmalıdır.
Pb en çok akü yapımında, motordaki vuruntuyu azaltmak için yakıt içerisinde ( kurşun tetra etil olarak) ve gama x- ışınlarından korunmak için kullanılır. Ayrıca yer altı kabloları Pb ile kaplanarak korozyondan korunur. Pb alaşımları özellikle kaynak yatak malzemesi olarak kullanılır. Saf kurşun yumuşak kurşun olarakta bilinir. Daynımını artırmak için yapısına alaşım elementi (özellikle Sb yani antimon) katılarak sert kurşun elde edilir. Pb nin yapısı YMK dır. Pb haddeleme, tel çekme, presleme gibi PŞV yöntemleri ile şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında bile RC u Pb un yumuşatma tavına gerek kalmadan kullanımını sağlar. Ancak küçük şekil değişimlerinde bile tane irileşmesi görülebilir. Tane irileşmesi kablo kılıfları, borular ve kurşun kaplamalarda yorulma kırılmasını kolaylaştırır. Pb asitlere karşı çok dirençli olduğu için özelliklerde akülerde kullanılır.
Zirkonyum (Zr) ve Nükleer Reaktör Malzm Reaktör malzemeleri için aşağıdaki özellikler önemlidir. Isıl nötron absobsiyon kesiti Oluşabilecek radyoaktik izotopların yarı ömrü Nötronlar nükleer yakıtın radyoaktif bozulması ile serbest kalır ve yakıt tüpünden geçerek enerjilerini soğutma suyuna verirler. Bu yüzden tüp malzemesinin nötron geçirgenliği iyi (absorbsiyonu kesiti küçük) olmalıdır. Zr, bu özelliğe sahip metaller arasında yer alır.
Zr, kimyasal ve metalürjik açıdan Ti a benzer HSP kristal kafes yapısına sahiptir. Ergime derecesi yüksektir (1852 C). Oksitleyici ortamda Ti dan daha fazla korozyon direncine sahiptir. Özellikle nükleer reaktörlerde, kimya sanayinde, yakıt elemanlarının tüplerinin yapımında kullanılır.
Nükleer ışınım altında kalan parçalar bir süre sonra kendileride ışın yayar dururma gelebilir. Bu yüzden bu tür parçaların hurdaları bile tehlikeli olabilir. Bu yüzden paslanmaz çelik ve Ni alaşımlarında Co değeri Nb lu kaynak ilave bağlantılarında da Ta değeri milyonda bir (ppm) değerini aşmamalıdır.
Kalay (Sn) ve Kalay Alaşımları Kalay düşük ergime derecesine sahip, dayanımı düşük, fakat kimyasal kararlılığı iyi bir metaldir. Yiyecek ve içecek üreten ve depolanan yerlerde zehirsiz olduklarından dolayı kullanılabilirler. Kalay en çok konserve kutuları, teneke ve müzik aleti yapımında kullanılır. Dökümü ve lehimlemesi kolaydır. Yatak malzemesi olarak ta kullanılmaktadır.
Beyaz kalay tetrogonal, gri kalay kübik yapıya sahiptir. Düşük ergime derecesinden dolayı Sn oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bile RC olur. Bu yüzden pekleşmez. Kalay daha çok kaplama şeklinde uygulanır.
Çinko (Zn) ve Alaşımları Çinko düşük ergime derecesine; iyi döküm ve atmosfer şartlarında korozyona dayanıklılık özelliklerine sahip bir metaldir. Ağır bir metaldir. Hegzogonal yapı PŞV ye uygun olmasına rağmen TRC nin düşük oluşu PŞV için kolaylık sağlar. Çinko özellikle döküm işlerine uygun bir metaldir.
Çinko metalinde özellikler yöne aşırı derecede bağımlılık gösterir (anizotropi) Çinko çok kaba taneli katılaşır ve büzülürken farklı yönlerde farklı oranlarda büzüldüğünden büyük iç gerilmeler açığa çıkar. Çinko elektrokimyasal gerilim serisinde asallıktan çok uzaktır. Nemli hava suyun etkisi ile yüzeyinde hidroksit ve kabonat karışımı kory-uyucu bir tabaka oluşur. Asallıktan çok uzak olduğundan ve çözeltiye elektron verme davranışından dolayı katodik korumada kurban elektrot olarak kullanılır.
Zn kaplama ile 1-) Zn üzerindeki koruyucu hodroksit ve karbonat filmin koruyuculuğundan 2-) bu koruyuculuk hasara uğrasa bile Zn un katodik koruma özelliğinden faydalanılır. Kaplama elektroliz ve sıcak daldırma ile yapılmaktadır