2xx SERİSİ ALÜMİNYUM ALAŞIMLARINDA Ag İLAVESİNİN MUKAVEMETE ETKİSİ Çağlar Yüksel 1, Özen Gürsoy 2, Eray Erzi 2, Derya Dışpınar 2 1 Yıldız Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Davutpaşa, İstanbul, 2 İstanbul Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul Anahtar Sözcükler: A206, A201, alüminyum alaşımları, ısıl işlem, Ag ÖZET Hafif alaşımlar grubuna giren alüminyum ve alaşımlarının otomotiv ve uçak endüstrisinde kullanımı oldukça yüksektir. Hafifliğin yanı sıra yüksek mukavemet özelliklerine sahip olan alaşım grupları arasında 2xx serisi olarak bilinen Al-Cu alaşımları yer almaktadır. Alüminyum içerisinde kısmi çözünürlük sınırı ağırlıkça %5 seviyelerinde olduğundan, mukavemet artışı için maksimum bu oranlarda Cu ilave edildiği durumlarda akma mukavemeti ve çekme mukavemeti sırasıyla 350 ve 400 MPa değerlerine ulaşmak mümkündür. Mukavemetin daha da arttırılması gerektiği durumlarda ise %1 seviyelerine kadar Ag ilavesi yapılır ve ekstra 80-90 MPa daha gerilim değerlerinde artış gözlemlenir. Ancak, Ag ilavesi yapıldığında alaşımın ısıl işlem şartlarında optimizasyon yapılması gerekmektedir. Bu doğrultuda, bu çalışmada 206 alaşımına yapılan Ag ilavesi ile maksimum mukavemeti sağlayan ısıl işlem parametresinin 530 C de 12 saat bekletme ve 200 C de 4 saat yaşlandırma ile elde edildiği tespit edilmiştir. 1. GİRİŞ Alüminyum, başlıca otomotiv olmak üzere, havacılık ve uzay, ambalaj ve paketleme, iletişim, ısı yalıtımı, dekorasyon ve daha pek çok alanda kullanılan bir metaldir. Alüminyum, kolay dökülebilirliği, iyi korozyon direnci, yüksek ısıl iletkenliği gibi özellikleri nedeniyle uygulamalarda tercih edilmektedir. Hafif metaller sınıfına giren alüminyum metalini cazip kılan temel özelliği alaşım elementlerinin ilavesi ile mukavemetinin yüksek seviyelere ulaşabilmesidir. Bakır, oldukça iyi katı eriyik oluşturduğundan alüminyum için çok önemli bir elementtir. Uygun ısıl işlem periyodu ile çökelti oluşturularak yüksek mukavemet değerlerine ulaşmak mümkündür. Al Cu faz diyagramında da görüldüğü gibi, bakırın alüminyum içerisinde maksimum eriyebildiği sıcaklık 548 C de % 5,65 dır [1] (Şekil 1).
Şekil 1: Al Cu faz diyagramı ve ısıl işlemi ile yapı değişimi [2]. Ağırlıkça % 4,6 Cu içeren 206 alüminyum alaşımının çökelme mukavemetlenmesi ısıl işlemi çözeltiye alma, su verme ve yaşlandırma olmak üzere 3 temel adımdan oluşmaktadır. İlk adım olan çözeltiye alma, solvüs çizgisinin üzerinde, 520 C civarında 12 saat bekletme işlemidir. Bu işlemde θ (CuAl2) fazının α fazı içerisinde tamamen eriyerek homojen α katı eriyiği oluşması hedeflenir. İkinci adımda çözeltiye alma sıcaklığından oda sıcaklığına hızlı bir şekilde inilecek şekilde su verme işlemi yapılır. Soğuma hızı, α katı eriyiği içerisindeki θ fazının difüzyonunu engelleyip α içerisinde hapsolmasını sağlayacak şekilde ayarlanır. α fazı, bu haliyle aşırı doymuş ve kararsız bir fazdır. Kararsız ve yüksek enerjili α fazı, enerjisini düşürmek amacıyla uygun kinetik şartları elde ettiği anda (sıcaklık ve zaman) θ fazını çökeltme eğilimindedir. Üçüncü adım olan yaşlandırma işlemi, solvüs eğrisi altındaki bir sıcaklıkta belli bir süre tutularak α fazından θ fazının çökelmesi işlemidir. Yaşlandırmanın doğal ya da suni olması sıcaklık parametrelerine bağlıdır. Oda sıcaklığında gerçekleşen yaşlandırma doğal, solvüs sıcaklığının altında bir sıcaklığa ısıtılarak gerçekleştirilen yaşlandırma ise suni yaşlandırmadır. Yaşlandırılan alüminyum bakır alaşımında GP (GP1) bölgeleri, θ fazı (GP2 bölgeleri), θ fazı ve θ (CuAl2) fazı olmak üzere dört ardışık yapı oluşmaktadır. Bu çökeltilerin ilki ilk kez 1938 de Guinier ve Preston tarafından x-ışınları ile incelenmiş olup GP bölgesi olarak adlandırılmıştır. Al Cu alaşımında çökelme ardışıklığı aşağıdaki gibi gösterilebilir: Aşırı doymuş α katı eriyiği GP bölgesi θ fazı θ fazı θ (CuAl 2 )fazı
Tablo 1: Al Cu sisteminde yarı-kararlı fazların kristal yapıları [3]. Faz Yapı Çap (Å) Kalınlık (Å) Uyumlu Matris GP - 80-100 4-6 {100} θ Tetragonal 100-1000 10-40 {100} θ HMT 100-6000 100-150 {100} θ HMT Sıcaklık ve zaman parametrelerine bağlı olarak oluşacak olan fazlar TTT (sıcaklıkzaman-dönüşüm) diyagramına bakılarak tespit edilebilir. İçyapıda gerçekleşen bu değişiklikler mekanik özelliklere yansır. İdeal mekanik özellikleri veren süre ve sıcaklık yaşlandırma işleminin optimum koşullarıdır (Şekil 2). a Şekil 2: TTT diyagramı (a) [4] ve değişen iç yapıya bağlı mekanik özelliklerin değişimini veren grafik (b) [5]. Uygulamalarda 2xx serisi döküm alaşımları olan 201 ve 206 oldukça tercih edilmektedir. Tablo 2 de de görülebileceği gibi 201 i kimyasal kompozisyon anlamında 206 dan farklı kılan Ag eklentisidir. Ağırlıkça %1 e kadar yapılabilen Ag ilavesi alaşımın mekanik özelliklerinde bazı değişimlere neden olmaktadır. 206 alaşımında yaşlandırma işlemi ile çekme mukavemetinde 420 MPa a ancak ulaşılabilirken gümüş ilavesi ile bu değer 80-90 MPa artış göstermektedir [6-7]. Tablo 2: 201 ve 206 alüminyum alaşımlarının kimyasal kompozisyonu. Alloy Cu Ag Si Mg Mn Ti Al 201 4,60 0,55 0,00 0,31 0,29 0,23 Kalan 206 4,45 0,00 0,01 0,26 0,28 0,25 Kalan b Ag ilavesi alaşımın ideal ısıl işlem parametrelerini de değiştirmektedir. Yapılan çalışmalarda 201 alaşımında en yüksek akma ve çekme mukavemetlerinin yaşlandırma işleminde daha yüksek sıcaklıkta ve daha kısa sürede elde edilebileceği görülmüştür [6-7].
Şekil 3: 206 alaşımının çekme test sonuçları Şekil 4: 201 alaşımının çekme test sonuçları
Yaklaşık ağırlıkça %4.5 civarında bakır içeren 201 ve 206 alaşımları, geleneksel olarak kademeli çözeltiye alma ısıl işlemine tabi tutulurlar. 510 o C de 2 saat bekletildikten sonra 530 o C de 14 ile 20 saat arası bekletilip, oda sıcaklığındaki suya atılarak su verme işlemi gerçekleştirilir ve daha sonra 150 o C de 20 saat bekletilerek yaşlandırmaya bırakılırlar ve böylelikle optimum mukavemet elde edileceği önerilmektedir. Fakat Din ve Campbell [6-7] 201 ve 206 ile yaptıkları çalışmalarında, 2 kademeli ısıl işlemin hem maliyet hem süre hem de uygulanabilirlik açısından uzun sürdüğünü ve aslında tek adımda en yüksek mukavemeti bu alaşıma kazandırabileceklerini düşünmüşlerdir. Deneysel olarak 530 o C de 12 saat tutmak ve ve su verme işleminden sonra 160, 200, 240, 280 ve 320 o C lerde yaşlandırma yaparak, en uygun ısıl işlem süre ve sıcaklığını tespit etmeye çalışmışlardır. Sonuç olarak, 160 o C de 16 saat ile 200 o C de 1 saat yaşlandırma arasında bir fark olmadığını göstermişlerdir. Bu doğrultuda, bu çalışmada da 530 o C çözeltiye alma sıcaklığı olarak seçilmiş ve 12 saat bekletildikten sonra 200 o C de 1 saat yaşlandırılan numunelere çekme testi yapılmıştır. Şekil 3 de görülebileceği gibi, 5 farklı dökümde her bir dökümde toplam 2 adet numune elde edilmiştir. Sonuç olarak 10 numune üzerinden yapılan bulgularda, 206 alaşımının ortalama akma mukavemetinin 285 MPa olduğu, çekme mukavemetinin ise 325 MPa olduğu tespit edilmiştir. Ağırlıkça %0.55 Ag ilave edilen 201 alaşımında ise akma mukavemeti 350 MPa iken çekme mukavemetinin 425 MPa değerlerine yükseldiği tespit edilmiştir. Şekil 6: Akma mukavemeti Weibull dağılımı
Her iki alaşımın istatistiksel olarak akma ve çekme mukavemetlerinin Weibull dağılımları ise Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. Her iki alaşımın kıyaslaması yapılacak olunursa, görüldüğü gibi verilerin dağılımları 201 ve 206 için paralel olarak göze çarpmaktadır. Bu da deneysel olarak benzer seviye tekrarlanabilir ve güvenilir olduklarının bir ifadesidir. KAYNAKLAR Şekil 6: Çekme mukavemeti Weibull dağılımı 1. Smith, W. F., 2001, Aluminyum Bakır Alaşımları, Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri, In: Erdoğan, M. (ed.), 9-6, Nobel Yayın Dağıtım, Kızılay, Ankara, ISBN: 975-591-297-5, 354-360. 2. http://www.totalmateria.com/page.aspx?id=checkarticle&site=ktn&nm=235, [Ziyaret tarihi: 28 Şubat 2016]. 3. Lumley, R., 2011, Fundamentals of Aluminium Metallurgy, Woodhead Publishing, Cornwall, BK, ISBN: 978-1-84569-654-2. 4. http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/defult.asp?catid=70pageid=661166923, [Ziyaret tarihi: 01.03.2016]. 5. Callister W. D., Rethwisch D. G., 2012, Phase Transformation, Fundamentals of Material Science and Engineering An Integrated Approach, 11, John Wiley & Sons, 111 River Street, Hoboken, NJ, ISBN: 978-1-118-06160-2, 421-482.
6. Din, T., Campbell, J., 1996, High strength aerospace aluminium casting alloys: a comperative study, Materials Science and Technology, 12, 644-650. 7. Din, T., Rashid A. K. M. B., Campbell, J., 1996, High strength aerospace casting alloys: quality factor assessment, Materials Science and Technology, 12, 269-273.