Alümiyum Şekillendirme Teknolojileri

Alümiyum Şekillendirme Teknolojileri Yard.Doç.Dr. Derya Dışpınar

Amerikan İngilizcesi: Aluminum İngiliz İngilizcesi: Aluminium Türkçe Aluminyum / Alüminyum Latince Alumin: acı tuz

Atom numarası 13 Atom ağırlığı Yoğunluk 26,9815386(8) g/mol 2700 kg/m³ Ergime noktası 660,32 C Kaynama noktası 2519 C Ergime ısısı Isı kapasitesi Kristal yapısı Elektrik direnci Isıl iletkenlik Isıl genleşme 10,71 kj/mol 24,2 (25 C) J/(mol K) Yüzey merkezli kübik 26,50 nω m (20 C'de) 237 W/(m K) 23,1 µm/(m K) (25 C'de)

1863 Charles M. Hall Paul Héroult

Potasyum amalgam ile gr Kriyolit ile alumina Sodyum ile kg Saf alumina Potasyum amalgam ile mg

Charles Dickens (Household Words, Dec. 13th 1856) Deville başarısı üzerine: «Alüminyum, kalayı çöpe attırıcak, bakır tencereleri sürgüne yollatacak, Almanların bulduğu gümüşü de fırlatıp atacaktır»

Jules Verne From the Earth to the Moon (1865) 7. Bölüm: Demirin yerini alabilecek bir metal olmalı. Bakır? dedi Morgan. Hayır! Çok ağır. Sanırım ondan daha iyisini önerebilirim Nedir peki? diye sordu Binbaşı. Alüminyum! diye cevap verdi Barbicane. Alüminyum? diye şaşkınca cevap verdi diğer üç çalışma arkadaşları. Sorugusuz. Bu değerli metal gümüşün beyazlığında, altın gibi dayanıklı, demir gibi mukavemetli, bakır kadar şekillendirilebilme kabiliyetinde ve cam kadar hafif.kolaylıkla dövülebiliyor, çokca bulunmakta, birçok cevherin temel bileşeni, demirden üç kat daha hafif ve sanki bizim projemizde uzay aramıcızda kullanmak istediğimiz amacımıza uygun olarak yaratılmış.

J.W. Richards,1880 Aluminium dergisinde: Eğer uçak ve havacılık endüstrisindeki problemler çözülmek isteniyorsa, alüminyum buradaki baş etmen olacaktır.

İlk Alüminyum İlk olarak 1909 da Alman araştırmacı Alfred Wilm, Al içerisinde Cu ve Mg ilavesi ile alaşım üretti. «Duralumin» özel ismi ile anılan bu alaşım, 2xxx serisi alaşımlarının başlangıcı oldu

Endüstriyel uygulama Almanya da uçak endüstrisinde Al kullanılmaya başlandı 1950 lerde Rusya da tren gövdesinde panellerde kullanıldı 1980 lerde İskoçya da teknelerde kullanıldı

Dickens, Verne verichards kehanetlerigerçekoldu! 1800 lerde 200 ton iken 2012 de 50 milyon ton primer ve 5 milyon ton sekonder alüminyum

Eros 1893'te yapılmış olup alüminyumdan üretilmiş ilk heykellerden biridir.

hafif mukavemetli dayanıklı sünek Yüksek iletkenlik Yüksek korozyon direnci Su ve havayı geçirmez, kokusuz Sonsuz geridönüşümlü Yansıtma özelliği iyi

Element Kimyasal Sembol % Doğada Bulunabilirlik Oksijen O 47.3 Silis Si 27.7 Alüminyum Al 7.9 Demir Fe 4.5 Kalsiyum Ca 3.5 Sodyum Na 2.5 Potasyum K 2.5 Magnezyum Mg 2.2 Titanyum Ti 0.5 Hidrojen H 0.1

Cevherler Boksit 30-50% Alumina (Al 2 O 3 ) 3-13% Silika (SiO 2 ) 10-18% Titanium oksit(tio 2 ) Kalan (H 2 O) Kaolinit 30-32% Alumina (Al 2 O 3 ) Kalan Silika (SiO 2 ) ve (H 2 O) Neflin 30% Alumina (Al 2 O 3 ) 40% Silika (SiO 2 ) 20% Na 2 O + K 2 O

1 kg alüminyum üretmek için gerekli hammaddeler

Bayer Prosesi

Hall-Héroultprosesi Na 3 AlF 6

Metaloksitlerin Standart Serbest Enerji Sıcaklık Değişimi 3 2 2 Nolu reaksiyon C + O 2 = CO 2 1 3 Nolu reaksiyon 2CO + O 2 = 2 CO 2 700 Fe için 1900 Al için

Primer Alüminyum Üreticileri RusAl Rio Tinto Alcan Hydro Alcoa Dubal

YÜKSEK MUKAVEMET / YOĞUNLUK

Uygulama alanları Binalarda Ulaştırma Mühendislik Paketleme

Bina uygulamaları

Paketleme

ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI DÖKÜM DÖVME DÖKÜM DÖVME DÖVME

Döküm Alaşımları 1xxAlüminyum 2xx Bakır 3xx Silis, Bakır, Magnezyum 4xx Silis 5xx Magnezyum 7xx Çinko 8xxKalay 9xx 99.0% minimum; Min 4% Min 5% Si ve diğerleri Min 5% Si Min 4% Min 6% Diğer

Dövme Alaşımları 1xxxAlüminyum 2xxx Bakır 3xxx Mangan 4xxx Silis 5xxx Magnezyum 6xxx Magnezyum ve Silis 7xxx Çinko 8xxx Özel alaşımlar 99.0% minimum; 1.9%...6.8% 0.3%...1.5% 3.6%...13.5% 0.5%...5.5% Mg 0.4%...1.5%, Si 0.2%...1.7% 1%...8.2% Diğer

Alaşımelementlerininetkisi Birçok alaşım elementi, tipik olarak mukavemeti arttırmak içindir: Mg, Cu, Si, Fe, Mngibi. Fakat bu elementlerin birbirleri ile etkileşimi farklı özelliklerin ortaya çıkmasına sebep verebilir

V, Zr, Ti: Cu içeren alaşımlarda yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürür. Yüksek sıcaklık stabilitesi sağlar Mn: Cu-Mg içeren alaşımlarda akma noktasının artmasına sebep verir Ni: Cu ve Mg içeren alaşımlarda çökelme sertleşmesini arttırır Cd: Yaşlanma sertleşmesini arttırır

In: düşük Cu içeren alaşımlarda doğal yaşlanma sıcaklığını düşürür Pb, Bi, Cd: İşlenebilirliği arttırır P: primer Si kristallerinin çökelmesini sağlar Ca: Si içeren alaşımlarda iletkenliği arttırır Ni: yüksek sıcaklıklarda sertliğin kararlığını sağlar ve termal genleşme katsayısını düşürür

Cr: Elektrik iletkenliğini arttırır Mn: Cr ile birlikte bulunursa, taneler arası korozyonu engeller Ag: Zn içeren alaşımlarda mukavemeti ve korozyon direncini arttırır

http://aluminium.matter.org.uk

Fazlar

Mikroyapı Katı çözelti Disperse ikinci faz Sürekli ikinci faz Süreksiz ikinci faz Dupleks yapı

Süreksiz ikinci faz: Al-Si alaşımı

α-alfemnsi

B: α-al(femn)si C: Al 2 Cu

Isıl işlem göremeyen Isıl işlem görebilen

Isıl işlem kodlamaları F O H T Mekanik veya ısıl işlem görmemiş (döküm, dövülmüş vb.) halde Tavlanmış ve yeniden kristalleşmiş Soğuk işlem uygulanmış Yaşlandırma işlemini göstermektedir

FizikselMetalurji Katı çözelti oluşumu İkinci fazlar Tane inceltme Deformasyon sertleşmesi Çökelme sertleşmesi

yeralan arayer

Metalurji ve Malzeme Materials and Chemistry

sıvı α + sıvı α α + β Sadece A atomları A B

sıvı α + sıvı α α + β A atomları A B A içinde B (çözünmüş) (A) veya α

sıvı α + sıvı α α + β A B β α

Fe Si Mn Cu Ti Mg

Mukavemetarttırmayöntemleri Tane sınırlarını azaltmak? Empüriteleri azaltmak? Dislokasyon hareketlerini engellemek? Boşluk konsantrasyonunu azaltmak?

Mukavemetarttırmamekanizmaları 1. Deformasyonsertleşmesi 2. Çözeltisertleşmesi 3. Çökeltisertleşmesi 4. Tane boyutunun azaltılması

1. Deformasyonsertleşmesi 1xxx, 3xxx, 5xxx serisine uygulanır

dislokasyon birkristalideformeetmekiçinharcananenerji, teorik ve hatasız olan kristalden daha daha az! malzemelereplastikdeformasyonuygulandığında, deforme edebilmek için daha daha fazla yük uygulanması gerekiyor!

dislokasyon

TEM: X 21.000

video1: çekme-basma gerilmesi altında deformasyon video2: kayma gerilmesi altında deformasyon

ikinci fazlararası mesafe 1.28 µm 15 MPa 0.4 µm 50 MPa

Deformasyonsertleşmesi 1xxx 3xxx 5xxx

Kaymadüzlemi 111 1 11 11 1 111 4 düzlem

Kaymayönü 110 1 10 11 0 3 yön, 4 düzlem: toplam12 kaymadüzlemi

kırılma

ELASTİK PLASTİK

HOMOJEN HETEROJEN

2. Çözeltisertleşmesi

Fe Si Mn Cu Ti Mg

Yük, F = Alan, A

kayma düzlemi normali uygulanan yük arası kayma düzlemi

kayma düzlemi kayma yönü ile uygulanan yük arası =.. λ

SchmidFaktörü =.. λ =0 λ=90 : =45,λ=45

Isıl işlem göremeyen Isıl işlem görebilen

matriks uyumlu yarı uyumlu uyumsuz

3. Çökeltisertleşmesi 2xxx, 6xxx, 7xxx

Çökelme sertleşmesi

Yavaş soğuma

Su verme

Hızlı soğuma durumunda: Dislokasyonlar? Boşluklar? İkinci fazlar? Tane sınırları?

α tek faz bölgesi Al Cu

GuinierPreston(GP) zonları Cu içeren alaşımlarda: CuAl 2 GP zonları Cu atomlarının ince dizilişi θ Uyumlu ve 2 sıra Cu atomları θ Yarı-uyumlu CuAl 2 θ Uyumsuz

GuinierPreston(GP) zonları Cu ve Mg içeren alaşımlarda: Al 2 CuMg GP zonları Cu ve Mg atomlarının dizilişi S Yarı uyumlu Al 2 CuMg(ortorombik) S Uyumsuz

GuinierPreston(GP) zonları Mg ve Si içeren alaşımlarda: Mg 2 Si GP zonları Mg ve Si atomlarının dizilişi β Yarı uyumlu, hekzagonal β Uyumsuz, YMK

GuinierPreston(GP) zonları Mg ve Zniçeren alaşımlarda: MgZn 2 GP zonları Mg ve Zn atomlarının dizilişi η Yarı uyumlu, hekzagonal η Yarı uyumlu, hekzagonal Τ Yarı uyumlu, Mg 32 (Al,Zn) 49 Τ Uyumsuz, Mg 32 (Al,Zn) 49

TTT diyagramları

20 o C de ne kadar zaman sonra GP zonları oluşacak? 1 saat

Hangi sıcaklıkta GP zonları oluşacak? 150

Bu sıcaklıkta ne kadar zaman alacak? 150 4 saniye

Çökelme sertleşmesi SUNİ DOĞAL

Çökelticeserbestbölge

YÜKSEK YÜKSEK HIZLI YÜKSEK HIZLI DÜŞÜK

YÜKSEK YÜKSEK YAVAŞ YÜKSEK YAVAŞ DÜŞÜK

DÜŞÜK DÜŞÜK HIZLI YÜKSEK YAVAŞ DÜŞÜK

Yaşlanmanın pik noktası Sertlik veya mukavemet kısa mesafeli ince çökeltiler uzun mesafeli kaba çökeltiler Yeterince yaşlanma yok aşırı yaşlanma Log(t) Katı çözelti oluşumu (çökelti yok) çözelti + çökelti bölgesi uyumlu GP-zonları çökelme sertleşmesi bölgesi uyumsuz çökeltiler

100 o C Sertlik 180 o C 20 o C Log(t) Düşük sıcaklık: GP-geçiş zonları oluşumu için yeterli süre Yükseksıcaklık: Yaşlanmaiçinyeterlisüreyok. Hızlı!

Ufakçökeltileryokolmaeğilimde Büyük çökeltiler büyümeye eğilimlidir KABALAŞMA veya BÜYÜME: Ostwald Büyümesi

KABALAŞMA veyabüyüme Solvus eğrisinin şekli! α α + θ

Mukavemetarttırmamekanizmaları 1. Deformasyonsertleşmesi 2. Çözeltisertleşmesi 3. Çökeltisertleşmesi 4. Tane boyutunun azaltılması

% 0 % 45 % 90

Soğukdeformasyon %20 deforme edilmiş %45 deforme edilmiş %90 deforme edilmiş %= ( ) 100

Sıcak ve Soğuk Şekilverme Soğuk Def Sıcak Def 0.3-0.5T e

Plastikdeformasyon: (0.3 0.5) T m SOĞUK DEFORMASYON Soğuk işlem noktasal hataların yoğunluğu dislokasyon yoğunluğu Nokta hataları ve dislokasyonların: iç gerilim Plastik deformasyon için harcanan enerjinin%1-10 u gerilim enerjisi olarak depolanır

Soğuk Def noktasal hata yoğ dislokasyon yoğ Tavlama Malzemede gerilim giderilmesi Malzemenin mukavemetinde artış Malzemenin yumuşaması Düşük sıcaklık Toparlanma Soğ Def Tavlama Yüksek sıcaklık Yeniden kristalleşme

Toparlanma Düşük tavlama sıcaklıklarında başlar Mikroyapıda görsel olarak değişimler oluşmaz Soğuk deformasyon sırasında oluşan noktasal hatalar: tane sınırlarında dislokasyon tırmanması için kullanılır Ters yönlü dislokasyonlar birbirini yok eder

Aynı yönlü dislokasyonlar tane sınırlarını oluşturmaya başlar Poligonizasyon Toplamda, dislokasyon yoğunluğunda azalma başlar Deforme olmuş yapı tane sınırları oluşmaya başlar

< dar açılı > geniş açılı

YenidenKristalleşme Yüksekdeformasyon, başlangıçtaneboyutudüşükise daha ince taneli yeniden kristallenmiş taneler Deformasyon, yenidenkristalleşmesıcaklığı Başlangıçtaneboyutu, yenidenkristalleşme sıcaklığı Soğukdeformasyonsıcaklığı, gerilimenerjisi ve yenidenkristallenmesıcaklığı

YenidenKristalleşme T yenidenkristalleşme ~ 0.3 T e T yenidenkristalleşme ~ 0.5-0.6 T e 99.999% Al ~ 75 o C Ticarisaf99% Al ~ 275 o C NEDEN?

Çözünenatomlarınetkisi Yeralanveyaarayerolarakyapıiçerisinde bulunabilecektümatomlar, dislokasyonhareketiniengelleyeceğiiçin, toparlanmaprosesiniazaltacaklardır Dahafazlaiticigüç; yanidahayükseksıcaklığa ihtiyaçolacaktır ÖDEV

Yenidenkristalleşme G yenidenkristalleşme = G deformeolmuş G deformeolmamış Çekirdekleşme ve gerilim içermeyen yeni tane oluşumu yüksek dislokasyon yoğunluklu tane düşük dislokasyon yoğunluklu tane tane sınırının ilerleme yönü

4 atoma bağlı 3 atoma bağlı tane sınırının atlama ilerleme yönü Tane sınırları, eğriselliğin merkesine doğru ilerleme eğiliminde Metalurji ve Malzeme Materials and Chemistry

Tane1 γ 12 γ 13 θ 1 θ 2 Tane2 θ 3 Tane3 γ 23 120 o

Sonuçta, yüksek sıcaklık altında, toplam tane sınırı sayısı azalma eğilimindedir. Enerjitik olarak daha düşük seviye olduğuu için

Deformasyonsonrası

Hücreoluşumu

Yokolma

Tanesınırıoluşumu

Büyüme